161

Технологии объективов EF

162

Основная задача объектива для фотосъемки – максимальночеткое и точное воспроизведение изображения объекта напленке или матрице при цифровой фотосъемке. Однако этазадача не проста, так как в элементах объектива непременносодержатся неоднородности и особенности, которые непозволяют им собирать лучи света точно в одну точку ивызывают рассеяние света вблизи краев. Эти свойства,которые не позволяют лучам света, выходящим из одной точкиобъекта, попадать в одну точку идеального изображения илиприводят к рассеиванию лучей, проходящих через объектив,называются аберрациями.Проще говоря, основная цель при конструировании объективасостоит в том, чтобы «определить параметры конструкцииобъектива для минимизации аберраций». Однако, хотя и несуществует единого идеального решения для проектированияобъективов определенного типа, существует бесчисленноемножество решений, близких к идеальному. Возникаетпроблема выбора решения, а способ выбора в значительнойстепени определяет характеристики объектива. Начиная с XIX века используется метод конструированияобъективов, который называется трассировкой лучей. Хотяэтот метод позволяет определить аберрации, он даетвозможность выполнять вычисления только в одномнаправлении (т.е., вычисления аберраций для объектива сзаданной конструкцией) и не позволяет определить параметрыконструкции объектива по заданным характеристикамаберраций. В середине 1960-х годов компания Canon впервые разработалареально работающее компьютерное программное обеспечениедля аналитического определения детальных конструктивныхпараметров объективов с почти идеальными конфигурациямидля достижения минимальных аберраций (целевых значений), атакже компьютерноепрограммное обеспечениедля автоматическогонаправления процедурыанализа.С тех пор компания Canonпродолжает разрабатыватьмножество другихкомпьютерных программдля проектированияобъективов. В настоящеевремя использование этогопрограммного обеспеченияпозволяет компании Canonпостоянно производитьточные объективы иполучать конечноеизделие, не внося почтиникаких изменений висходную концепцию. Еслисравнить конструированиеобъектива с ночнымвосхождением на гору, топереход от обычныхтехнологий разработкиобъективов кс о в р е м е н н ы мкомпьютерным методампроектирования Canonаналогичен переходу изсостояния, когда в

непроницаемом мраке ночи вспышка света на мгновениепозволила увидеть лишь площадку под ногами, но приходитсяпродолжать движение, в состояние, когда ясно видна не толькодорога, но и пункт назначения, что позволяет спокойно иуверенно двигаться к намеченной цели.

Существуют три основных требования к формированиюизображения идеальным фотографическим объективом: a Лучи света, выходящие из одной точки объекта, послепрохождения через объектив должны сходиться в одну точку. b Изображение плоского объекта, перпендикулярногооптической оси должно оставаться плоским за объективом.c Форма плоского объекта, перпендикулярного оптическойоси, должна точно и без искажения воспроизводиться наизображении. В дополнение к этим трем общим требованиямкомпания Canon добавляет еще одно:d На изображении должны точно воспроизводиться цветаобъекта. Хотя перечисленные выше четыре требования являются«идеальными» и поэтому не могут быть полностью соблюдены,всегда можно внести улучшения, приближающие результат кэтим идеалам. Постоянная цель компании Canon состоит впроизводстве объективов, относящихся к наивысшемурыночному классу с точки зрения характеристик и качества.Для достижения этой цели устанавливаются очень высокиетребования. Для создания объективов с максимальновозможным качеством изображения и максимально возможнойпростотой конструкции используются современные технологиив сочетании с многолетним опытом и накопленными знаниями.

Непрерывное стремление к лучшему:концепция разработки объективов Canon

1

Фото 1. Автоматизированное проектирование объективов

( )Представления компании Canon обидеальном объективе

163

Технологии объективов EF

Непрерывное стремление к лучшему:концепция разработки объективов Canon

Для того чтобы предлагать объективы EF, соответствующиепотребностям всех пользователей, сформулировано шестьосновных целей проектирования Canon, которые описаныниже. Для объективов Canon EF все эти условия имеютважнейшее значение и должны выполняться для запускаобъективов в производство.

Высокое качество по всей площади изображенияНельзя сказать, что объектив дает высокое качествоизображения, если он обеспечивает только высокоеразрешение или высокую контрастность. Он долженобеспечивать и то, и другое. Однако, в зависимости от типаобъектива, разрешение и контрастность обычно связаныобратной зависимостью, то есть, улучшение одного параметраприводит к ухудшению другого. Для одновременногодостижения обеих целей компания Canon активно используеттакие элементы, как асферические линзы, флюорит, стеклоUD, стекло «super UD» и стекло с высоким коэффициентомпреломления, которые обладают замечательнымиоптическими показателями, обеспечивают резкость, четкость инепревзойденные характеристики изображения (высокоекачество фотографий).

Единые для всех объективов характеристики точнойцветопередачиЦветопередача (цветовой баланс) – это традиция Canon и однаиз важнейших характеристик объективов EF. Требуется нетолько оптимизация цветового баланса каждого объектива, нои единство цветового баланса для всех сменных объективов.Компания Canon очень рано создала и начала использоватьмножество надежных технологий однослойного и особогомногослойного покрытия и осуществляет тщательный контрольцветового баланса, начиная с момента разработки серииобъективов FD. Для серии объективов EF также используютсясамые современные компьютерные технологиимоделирования, позволяющие определить оптимальный типпокрытия для каждого элемента объектива, как дляподавления паразитных изображений, так и для достижениянаилучшей цветопередачи, обеспечивая при этом единствоцветового баланса для всех объективов.

Эффект естественного размытияТак как фотографические объективы записывают трехмерныеобъекты в виде плоских изображений на пленке или датчикеизображений, для достижения трехмерного эффектанеобходимо получить не только резкое изображение в фокусе,но и естественное размытие объектов, находящихся впереди ипозади сфокусированного изображения. Хотя наивысшийприоритет состоит в повышении качества изображения вфокальной плоскости, компания Canon также анализируетэффекты корректировки аберраций и другие соображения наэтапе проектирования объектива для того, чтобы частиизображения, находящиеся не в фокусе, выгляделиестественно и приятно для глаз. Для получения эффектаестественного размытия уделяется внимание также ифакторам, не относящимся к оптическому проектированию, втом числе разрабатываются круглые диафрагмы, что привелок созданию диафрагм, форма которых очень близка ккруговой.

Максимальное удобство в работеВне зависимости от оптических характеристик объективаследует всегда помнить о том, что объектив – это инструментдля фотосъемки и поэтому он должен быть удобен и прост виспользовании. Конструкция всех объективов EF обеспечиваетточную фокусировку вручную, плавное зумирование ивыдающееся удобство работы в целом. Начиная со стадииразработки оптической схемы объектива, конструкторыобъективов Canon активно включаются в создание оптическихсистем (таких, как системы задней и внутренней фокусировки)для ускорения автофокусировки, улучшения характеристикручной фокусировки, бесшумной работы, а также системзумирования с использованием нескольких групп для созданияболее компактных объективов.

Бесшумная работаВ последние годы камеры и объективы стали более шумными,оказывая влияние на снимаемый объект и зачастую приводя ктому, что фотограф пропускает ценные возможности дляфотосъемки. С самого начала при разработке объективов EFкомпания Canon активно работает над новыми технологиямиснижения шума приводов автофокусировки с цельюпроизводства объективов, по бесшумности и характеристикампохожих на объективы с ручной фокусировкой. С тех поркомпания Canon независимо разработала два типа и четыремодели ультразвуковых двигателей (USM) и вплотнуюприблизилась к цели: внедрить бесшумно работающие USM вовсе объективы EF.

НадежностьДля обеспечения полной надежности (качества, точности,прочности, ударопрочности, вибропрочности и долговечности)каждой модели во всех группах объективов EF, для каждогообъектива на этапе разработки предполагаются и учитываютсяразличные эксплуатационные условия. Более того, каждыйуспешный прототип подвергается строгим испытаниям, пока несформируется окончательное изделие. В процессепроизводства проводится полный контроль качества на основефирменных стандартов Canon. Более того, списоксоображений, учитываемых в стандартах Canon, постояннопополняется новыми показателями автофокусировки ицифровыми коэффициентами, на основе стандартов Canon дляобъективов FD, имеющих хорошую репутацию.

Эти шесть положений проектирования являются основамиразработки современных объективов EF. Поддержка этихоснов – это и есть «пульс Canon», который с момента основаниякомпании создает постоянный поток новых технологий ипродолжает биться в непрекращающихся попытках компанииCanon, направленных на создание объектива снепревзойденным качеством, приближающимся к идеалу.

( )Основы проектирования объективов Canon EF

164

Разработка высокоскоростныхобъективов EF

Проблема создания идеального объектива:—Разработка высокоскоростных объективов EF —

2

1 ( )Фактические процессы проектирования иразработки объектива EF

Разработка объектива EF начинается с внимательноговыслушивания отзывов и запросов фактическихпользователей объективов EF. Хотя запросы профессиональных пользователей оченьважны, Canon разрабатывает изделия и для других типовпользователей: любителей, опытных любителей иполупрофессионалов любого возраста, пола и сферыдеятельности. Короче говоря, изделия Canon предназначены«для тех, кто влюблен в фотографию». Поэтому в головномофисе компании Canon собираются запросы, поступающиеразличными путями от пользователей всех типов. Отделпланирования изделий и конструкторский отдел совместнымиусилиями тщательно анализируют эти запросы и внимательноизучают рыночные качества требуемых объективов. Если наопределенный объектив ожидается достаточный спрос,определяется ясная концепция изделия, которая понравитсяширокому кругу пользователей. Затем эта концепциявнимательно изучается, как с точки пользователя (фокусноерасстояние, диапазон зумирования, светосила, минимальноесъемочное расстояние, требуемые характеристикиизображения, размер, вес, стоимость и т. д.), так и с точкизрения разработчика и изготовителя и, тем самым, уточняетсядо конкретного плана. По завершении этого этапа начинаетсяпроектирование фактической оптики объектива. Так как вобъективах EF сочетаются оптика, механика и электроника,конструкторы, отвечающие за различные области(конструкция оправы объектива, проектирование приводаобъектива, разработка электронной схемы управления,промышленный дизайн), начиная с этапа начальногопроектирования и в течение всего процесса работают втесном сотрудничестве для создания оптимального объективана основе исходной конструкторской концепции.

Разработка оптической схемы объективаНа рис. 1 показан процесс разработки оптической схемыобъектива, который используется в компании Canon. Послевыбора основных характеристик, таких как фокусное расстояниеи максимальная диафрагма, определяется «тип объектива». Наэтом этапе принимается решение о так называемой «структуреобъектива». Сруктура, выбранная на этом этапе, является вовсех смыслах предварительной догадкой о предполагаемойструктуре объектива, но, так как она существенно влияет навесь последующий процесс, то для поиска всех возможных типовобъективов применяется специальное программное обеспечение,использующее оригинальный алгоритм оценки для выбораоптимального решения. Затем процесс продолжается до этапаначального проектирования, на котором оптимальное решениеанализируется с использованием собственной теории компанииCanon о лучах, близких к оси, и алгоритмов аберраций, иопределяется исходная форма каждого элемента объектива. Таккак этот этап начального проектирования является наиболееважной частью процесса проектирования, компания Canonиспользовала аналитические решения, основанные на теории,обширный банк накопленных данных и многолетниий опытпроектирования и создала систему, которая позволяетопределить идеальную окончательную конфигурацию закороткое время. После определения исходной конфигурации объективасверхмощная вычислительная машина многократно выполняетследующий цикл проектирования: трассировка лучей → оценка→ автоматизированное проектирование → изменение типа илиформы → трассировка лучей. В этом процессе, показанном нарис. 2, компьютер последовательно изменяет каждый параметр,например, кривизну поверхности каждой линзы, расстояниемежду поверхностями (толщину) каждой линзы, зазоры междулинзами и характеристики материала каждой линзы для

Рис. 2 Последовательность автоматизированного проектирования объективаРис. 1 Последовательность проектированияобъектива (общая процедура проектирования)

Фокусное расстояниеСветосилаУгол зренияРазмер изображенияХарактеристики аберраций

Технические нормы на проектирование

Компьютерные операцииОперации, выполняемыечеловеком

Все ли условия

соблюдены?

Вычисление значенийоптичесеких характеристик

f1 Трассировка лучейf2 Хроматическая аберрацияf3 Сферическая аберрацияf4 Астигматизмf5 Комаf6 Кривизна поля Дисторсия

MTF (частотно-контра- стная характеристика) Точечные диаграммы

Моделирование аберрацийfn Анализ ощибок изготовления

СтопВозможны

ли изменения f1--fn?

Завершение

Изменение техническихнорм на проектирование

Создание таблиц играфиков, выражающих

зависимость междуX1~Xn и f1~fn.

Изменение параметров X1-Xn

Конструктивные факторы параметровобъективаX1 Тип объективаX2 Радиускривизны каждойлинзы объективаX3 КоличествоэлементовX4 Форма каждойлинзы объективаX5 Тип(ы) стеклаX6 Диапазон пропускания длины волны

СтоимостьXn Величины допусков

| | | | |

| | |

РазрешениеКонтрастностьМинимальное съемочное расстояниеРазмер (габариты)

НЕТ

ДА

НЕТ

ДА|

Оценка проекта

Определениетехнических норм

на проектирование

Определение типа объектива

Первоначальныйпроект

Моделирование трассировки лучей

Коррекция аберрацийИзменение параметров(автоматизированное

проектирование)Точная доводка

Оценка

Детальнаяоценка рабочиххарактеристик

Завершение проектирования

UПовторяется до тех пор, пока все все условия не будут соблюдены

165

Технологии объективов EF

Разработка высокоскоростныхобъективов EF

постепенного приближения к оптимальной конфигурации, прикоторой аберрации всех типов сведены к минимуму. Длявыполнения этой части проектирования требуются самыесложные и объемные вычисления. Однако, фирменноепрограммное обеспечение Canon для оптическогопроектирования предусматривает среду, в которой процедурыпроектирования можно выполнять в интерактивном режиме и свысокой эффективностью.Программное обеспечение для автоматизированногопроектирования, которое используется в этом процессе, былоразработано независимо компанией Canon на основе собственныхтеорий автоматизированного проектирования Canon. Достаточноввести целевые значения, и за короткое время можно получитьоптимальное решение для этих значений. Поскольку ход мыслей наших разработчиков не прерываетсяповседневными процедурами, они могут без помех искатьоптимальные значения для окончательной конструкции:устанавливать начальные данные и целевые значения для вводав систему автоматизированного проектирования, оцениватьрезультаты моделирования и устанавливать оптимальныезначения для минимизации аберраций. Таким образом,разработчики взаимодействуют с компьютером, многократнооценивая точность, что в конце концов приводит к почтиидеальным значениям конструкции. Во время этого процессаможно также всесторонне оценить эффект использованияасферических линз или специальных материалов, таких какфлюорит или стекло UD, что позволяет разработчикам принятьрешение о необходимости их использования.На примере сверхкомпактного зум-объектива 28–105 мм нижеописан фактический процесс проектирования.

На рис. 4 показана структура типа зумирования для этогообъектива. Объектив состоит из 4 групп линз – выпуклая-вогнутая-выпуклая-выпуклая, причем для зумирования всегруппы взаимосвязанно перемещаются, а 2-я группа используетсядля фокусировки. Оптимальный тип объектива и распределениеоптической силы для сверхкомпактного зум-объективаопределяется с помощью программного обеспечения. На этомэтапе можно оценить различные характеристики, такие какформа кулачка зумирования, степень изменения фокусногорасстояния, общая длина объектива, диаметр входной линзыобъектива и расстояние до заднего фокуса.На следующей диаграмме (рис. 5) показана конструкция сминимальным количеством элементов и использованием толстыхлинз. Форма каждой линзы была выбрана исходя из оптимальногорешения для указанных условий. На этом этапе выполняетсямоделирование прохождения света через объектив и оцениваетсяминимальное число необходимых элементов в каждой группе,исходя из отклонения лучей света и с использованием различныхалгоритмов вычисления аберраций.

Рис. 3 Компьютерное моделирование характеристик аберрации

Компьютерная трассировка лучей

Рис. 4 Точечная диаграмма

Рис. 5 Рис. 8

Рис. 6 Рис. 9

Рис. 7 Рис. 10

166

Фото 2. Пример проектирования тубуса объектива(структура).

Рис. 11.Сечение объектива EF 24-70mm f/2.8L USM.

Фото 4. Тубус точного кулачковогомеханизма зум-объектива.

Фото 3. Пример автоматизированного проектированияобъектива (оптическая схема).

Затем для этого объектива необходимо устранитьаберрационные отклонения, вызванные фокусирующимидвижениями 1-й группы. Для этого в 1-ю группу добавлетсяодин элемент. Так как 2-я группа несет основное бремяувеличения, она должна быть мощной, а так как она являетсятакже и фокусирующей группой, аберрационные отклонения,вызванные зумированием и фокусировкой, должны бытьполностью устранены. Для превращения этой группы в группу,состоящую из трех элементов, добавляются две линзы: однасобирающая и одна рассеивающая. 3-я группа собирает свет,рассеянный 2-й группой, поэтому добавляется рассеивающаялинза для корректировки осевой хроматической аберрации исферической аберрации, превращая ее в группу, состоящую издвух элементов. Таким способом определяется минимальноечисло элементов объектива, и результат нескольких цикловавтоматизированного проектирования можно видеть на рис. 6.На нем видно, что сходимость лучей света значительноулучшилась. Наконец, для лучшей корректировкиастигматической комы при больших углах в 4-ю группудобавляется асферический элемент со стороны поверхности,формирующей изображение, где группы световых лучейнаходятся сравнительно далеко от оси.После определения окончательной конструкции объектива вуравнение добавляются все необходимые характеристики,такие как съемочное расстояние, апертура и фокусное

расстояние; затем многократноповторяется цикл автоматизированногопроектирования с небольшимиизменениями факторов проектирования,таких как материал стекла ираспределение оптической силы. Глядя наокончательный результат (рис. 7 и рис.10),можно видеть, что группы световых лучейсходятся чрезвычайно хорошо.

Разработка тубуса объективаТеперь, когда проектирование оптическойсистемы завершено, процесс переходит кпроектированию тубуса объектива,который должен удерживать элементы

объектива в точных положениях в соответствии созначениями оптической схемы и обеспечивать перемещениеразличных групп линз с высокой точностью при зумированиии фокусировке. Тубус должен соответствовать несколькимосновным условиям, а именно:a Тубус объектива при любых обстоятельствах долженудерживать элементы объектива в точном соответствии созначениями оптической схемы для постоянного сохраненияоптимальных оптических характеристик.b Механизмы должны быть расположены так, чтобыобеспечить максимальное удобство в работе.c Размер и вес должны соответствовать максимальнойпортативности.d Конструкция должна обеспечивать максимальнуюстабильность при серийном производстве.e Внутренние стенки тубуса объектива должныпредотвращать нежелательные отражения. f Тубус должен обладать достаточной механическойпрочностью, долговечностью и устойчивостью к погоднымусловиям.Перечисленные выше факторы следует принимать вовнимание при разработке тубусов для полностьюэлектронных объективов EF.V Электронное крепление и различные электрические схемынеобходимо встроить внутрь объектива.V Конструкция должна обеспечивать быструю автофокусировку

167

Технологии объективов EF

Разработка высокоскоростныхобъективов EF

Взгляд в будущее: проектирование улучшенной электронной системы

управления2и выдающееся удобство работы при фокусировке вручную.

V Внедрение новых приводов, таких как USM, EMD и IS.V Зумирование с участием нескольких групп, а также схемыобъективов с задней и внутренней фокусировкой.V Небольшой вес, компактность и низкая стоимость.С каждым годом разработка тубусов объективов,объединяющая все эти факторы, усложняется и требует всеболее высокой точности, но даже при возрастающей сложностиможно достичь оптимальной конструкции за счетиспользования систем CAD (автоматизированногопроектирования), которые позволяют выполнятьпроектирование с использованием трехмерного представленияконструкции объектива, а также с помощью различных методовкомпьютерного моделирования для анализиа и оптимизацииконструкции. Для уменьшения размера и веса объективовактивно применяются конструкционные пластмассы. Такоеиспользование конструкционных пластмасс стало возможнымтолько после многих лет анализа характеристик материалов,создания сверхточных технологий литья и бесчисленныхсуровых испытаний, разработанных для обеспечениядостаточной долговечности и надежности изделий.

Всесторонняя проверка характеристик прототипа и оценканадежностиПосле создания прототипа на основе эскизных чертежейобъектив проходит строгую проверку соответствия егофактических характеристик целям проекта. Проводитсямножество различных испытаний, в том числе сравнение ссуществующими изделиями того же класса; выполняютсяточные измерения таких характеристик, как фокусноерасстояние, светосила объектива, уровень исправленияаберраций, коэффициент использования апертуры,разрешающая способность, MTF (частотно-контрастнаяхарактеристика) и цветовой баланс; проводятсяэксплуатационные испытания при различных условиях съемки;испытания на наличие посторонних/паразитных пятен;испытания удобства и простоты использования; испытания наустойчивость к воздействию температуры и влажности,испытания на устойчивость к вибрациям, испытания надолговечность и ударные испытания. Результаты этихиспытаний возвращаются в группу разработчиков длядоработки объектива, если результаты некоторых из этихиспытаний не соответствуют стандартам Canon.В настоящее время даже объективы, относящиеся к известнойгруппе EF, должны проходить испытания на соответствиеисходным целям в процессе разработки прототипа, прежде чемначнется серийное производство и объектив попадет на рынокпод маркой Canon. Для поддержания стабильного качестваизделий на этапе серийного производства важнейшимифакторами являются анализ производственных погрешностейи установка соответствующих уровней допусков, полученных врезультате анализа с использованием компьютерных моделей,начиная с исходной разработки. Таким способомобеспечиваются наилучшие характеристики и высокоекачество объективов Canon EF за счет объединенияусовершенствованных технологий, которые включают в себяалгоритмы исправления аберраций и их применение,улучшенную технологию автоматизированного проектированияс использованием высокопроизводительных компьютеров испециализированного программного обеспечения, технологиивысокоточных измерений и оценки характеристик, технологиианализа производственных погрешностей и установки допускови технологии точного литья. Только после этого объективывыходят в мир, с гордостью нося имя Canon.

Выбор новой системы с учетом будущего развитияПочему в электрооптических системах дальномер остается в корпусефотокамеры, а движение объектива выполняется приводом,встроенным в сам объектив?Для ответа на этот вопрос вернемся в 1985 год, когда возикла новаятенденция встраивания систем полной автофокусировки взеркальные камеры. Тогда многие изготовители фотоаппаратов,кроме Canon, решили размещать дальномер и привод в корпусе(системы, в которых двигатель привода автофокусировки встроен вкорпус фотоаппарата, а движение объектива выполняется черезмеханическое сочленение). Эта система хорошо работает состандартными зум-объективами и объективами со стандартнымифокусными расстояниями, однако, учитывая главное достоинствозеркальных камер – использование объективов любого типа, отобъективов «рыбий глаз» до супер-телеобъективов, – компанияCanon приняла решение отказаться от использования этой системыпо следующим причинам:a Система имеет низкую эффективность, так как один и тот жедвигатель должен работать со сменными объективами всех типов (укоторых крутящий момент фокусировки может отличаться в 10 раз).b При установке экстендера между объективом и корпусомразрывается механическая связь привода автофокусировки, чтозатрудняет дальнейшее развитие системы в будущем. c С точки зрения устойчивости к воздействию окружающей среды идолговечности недопустимо полагаться на один двигатель для всехобъективов в камере, который должен обеспечивать постоянныехарактеристики при любых условиях окружающей среды, от холодаАрктики до тропической жары.В дополнение к этим фундаментальным техническим недостаткам,система со встроенным двигателем не соответствует базовымпредставлениям Canon о разработке фотокамер с использованиеммехатроники, в которых особое внимание уделяется эффективностии гибкости системы: для этого идеальный привод для решениякаждой задачи располагается вблизи соответствующегоперемещаемого блока, а для всех операций передачи данных икоманд перемещения используется электронная системауправления.Более того, компания Canon также сочла, что тенденция кавтоматизации – это не простое добавление автофокусировки взеркальные камеры, это сигнал о наступлении периода инноваций,который будет продолжаться какое-то время и в будущем. Вкомпании Canon следили за разработанными тогда улучшеннымитехнологиями, такими как USM, BASIS (датчик изображения наоснове хранения) и технологиями компонентов EMD и, внимательноизучив их с точки зрения слияния инновационных технологий и новыхфункций (автофокусировка) и с точки зрения будущего потенциаладля технологического развития, решили, что как для пользователей,так и для Canon лучше всего было бы избавиться от старых,сдерживающих развитие технологий и создать новую систему,которая, в конечном счете, опередит все остальные системы.Поэтому в компании Canon было принято решение о разработкеэлектрооптической системы EOS на основе оригинальной концепциикорпусов для фотокамер Canon с приводом фокусировки,встроенным в объектив, и полностью электронной системойкрепления.Убедившись в правильности решения Canon, другие изготовителифотоаппаратов начали встраивать системы привода в объективы иотказываться от механически подключаемых систем передачиданных.

168

Рис. 12. Основная структура системы управления

Таблица 1. Содержимое передаваемых данных

Микропро-цессор вспышки

Приводзумирования

Аккуму-лятор

Главныймикропроцессор

Микропро-цессор

объектива

Информацияо положе-

нии объектива

Информацияо зумировании

Блок стаби-лизатора

изображения

(ImageStabilizer

Аккумулятор

Датчик авто-фокусировки

Опти-ческая

системаавтофоку-

сировки

Информация о фокусномрасстоянии (датчик

положения зумирования)

Управление передачейданных

Главное зеркало

Вспомогательноезеркало

Данные

Питание

Данные

Точка электронного крепления (дляпередачи данных и подачи питания)

Обнаружениевеличины хода

Датчик авто-экспозиции

Свето-диодвспомо-гатель-ноголуча

Приводфокусировки

Вычисление диапазонаавтофокусировкии генерированиекоманд управленияходом объектива

Управлениеавто-

экспозицией

U

U

U

Тип информации

aТип объектива (код-идентификатор)

bСостояние объектива

cИнформация о замере

1.Число F при полностью открытойдиафрагме

2.Минимальная диафрагма

dИнформация о фокусном расстоянии

eИнформация о приводеавтофокусировки

1.Степень хода кольца фокусировки(позиция объектива)

2.Коэффициент чувствительностивыдвижения объектива

3.Коэффициент коррекции чувстви-тельности выдвижения объектива

4.Постоянная хода кольца фокусировки

5.Степень максимальнойрасфокусировки

6.Степень компенсации оптимальной фокусировки

Цель

Точностьавто-

фокусировки

U

U

U

Управлениеавто-

фокусировкой

U

U

U

U

U

U

U

U

Основная структура системы управленияэлектрооптических систем EOSЭлектрооптическая система EOS концентрируется вокругкорпусов обычных и цифровых фотокамер и состоит изразличных компонентов, таких как полный набор вспышек иобъективов EF. С точки зрения управления всей системойразличные датчики, микропроцессоры, приводы, источникисвета, электронные шкалы, входные переключатели иисточники питания мастерски переплетены: множествофункций и всевозможных компонентов работает вместе, какединый инструмент для создания выразительныхфотографий, позволяя запечатлевать и отображатьизбранные моменты в потоке времени. Эта системахарактеризуется тремя основными возможностями:a Управление многопроцессорной системойВысокоскоростной сверхминиатюрный компьютер,расположенный в корпусе фотокамеры, взаимодействует смикрокомпьютерами, расположенными в объективе ивспышке (для высокоскоростной обработки данных,вычислений и передачи данных), поддерживая управлениесистемой на высоком уровне. b Система со множеством приводовРядом с каждым подвижным блоком расположен идеальныйпривод для этого блока, что создает встроенную систему со

множеством приводов, которая обеспечивает высокийуровень автоматизации, эффективности ипроизводительности.c Полностью электронный интерфейсПередача данных между корпусом, объективом и вспышкойвыполняется электронным способом без каких-либомеханических связей. При этом не только повышаютсяфункциональные возможности современной системы, нотакже формируется сеть, способная включить в себя будущиеусовершенствования системы.

Полностью электронное крепление и система передачиданных Ключевым элементом при реализации полностьюэлектронной системы передачи данных между корпусом иобъективом является крепление EF. Это большое креплениеимеет угол поворота 60° и расстояние от фланца опорнойповерхности крепления до фокальной плоскости 44,00 мм.Передача информации между корпусом и объективомвыполняется мгновенно через 8-разрядный двунаправленныйканал цифровой связи с использованием трех пар контактовиз восьми контактов, расположенных на креплении корпуса, исеми контактов (в состав которых входят общие контакты) накреплении объектива. Высокоскоростной сверхминиатюрныйкомпьютер посылает в объектив команды четырех типов:a Передать указанные данные объектива.b Переместить объектив указанным образом.c Закрыть диафрагму на указанное число шагов.d Открыть диафрагму полностью.Первичные данные, передаваемые из объектива в ответ накоманду , показаны в табл. 1. Передача данных выполняетсясразу после прикрепления объектива к корпусу камеры ивпоследствии при выполнении операций любого типа. Данныеприблизительно 50 типов передются в реальном масштабевремени в соответствии с ситуацией.

169

Технологии объективов EF

Разработка высокоскоростныхобъективов EF

Фото 7. Электронные платы системы крепления объектива

Фото 5. Электронная системакрепления – Со стороны корпуса

Фото 6. Электронная системакрепления – Со стороны объектива

Преимущества полностью электронной системы крепленияК возможностям полностью электронного крепления большогодиаметра относятся следующие:a Реализация бесшумной, высокоскоростной автофокусировкис высокой точностью. Благодаря возможности выбора ивстраивания привода, оптимального для каждого объектива,можно реализовать бесшумную, быструю и точнуюавтофокусировку для всех объективов, от объективов «рыбийглаз» до супер-телеобъективов.b Реализация бесшумного и точного управления диафрагмой.Цифровое управление диафрагмой с высокой точностьюреализуется за счет встраивания идеальной системы EMD вкаждый объектив.c Встроенная система EMD позволяет закрывать диафрагмудля проверки глубины резкости при касании кнопки. Более того,встроенная система EMD повышает свободу управленияпоследовательностью съемки, позволяя затемнять линзудиафрагмой во время непрерывной съемки для повышенияскорости.d Полностью электронная система управления диафрагмойпозволила разработать объективы TS-E – первые в миреобъективы, выполняющие наклон и сдвиг при полностьюавтоматической работе диафрагмы.e Успешное создание объектива EF 50mm f/1.0L USM с большойапертурой. (Это стало возможным только благодаряэлектрооптической системе крепления большого диаметраEOS.)f Реализация видоискателя, отображающего весь кадр. (Вкамерах серии EOS-1 реализована практически 100% областьсъемки.)g Исключение ситуации, когда супер телеобъектив заслоняетвидоискатель и зеркало. h При использовании зум-объектива, у которого максимальнаяапертура изменяется при изменении фокусного расстояния,значения диафрагмы, которые вычисляются в фотокамере илиустанавливаются вручную (за исключением максимальнойдиафрагмы) автоматически компенсируются так, чтобызначение диафрагмы не изменялось при зумировании.Например, при использовании объектива EF 28-300mm f/3.5-5.6LIS USM с диафрагмой f/5,6 или менее, установленной вручную,параметр диафрагмы не изменяется при зумировании, хотямаксимальная апертура объектива изменяется. Это означает,что при использовании ручного экспонометра или экспонометравспышки для определения соответствующих параметровкамеры при съемке определенной сцены можно простоустановить значение диафрагмы вручную в соответствии споказаниями экспонометра, не беспокоясь о зумировании.i Благодаря тому, что при установке экстендера выполняетсяавтоматическая компенсация и отображается измененноеэффективное фокусное расстояние объектива, при настройкекамеры в соответствии с измеренными показаниямидополнительная компенсация не требуется даже прииспользовании ручного экспонометра.j Возможность сделать заднюю апертуру объектива больше,чем ранее, позволяет увеличить предельную светосилуоптической системы. Также возникают преимущества с точкизрения улучшения оптических характеристик при использованииэкстендера с супер-телеобъективом.k Благодаря полностью электронной системе крепления, вкоторой отсутствуют толчки, эксплуатационный шум,механический износ, люфт, потребность в смазке, плохаяреакция, снижение точности, вызванное работой рычага, илиограничения конструкции, связанные с механизмами

сочленения, присущие системам с механическими соединениямидля передачи данных, надежность работы значительновозрастает.l В корпусе камеры не требуется устанавливать механизмсвязи автоматической диафрагмы или механизм управлениядиафрагмой, что позволяет делать корпус более легким икомпактным, одновременно повышая надежность работысистемы.m Высокую надежность обеспечивает система самопроверкиработы объектива с помощью встроенного в объективмикропроцессора (который в случае неполадки отображаетпредупреждение на жидкокристаллическом дисплее камеры).n Так как все управление выполняется электронным способом,разработчики могут проявлять исключительную гибкость ивключать новые технологии, например технологии стабилизацииизображения, и улучшать характеристики камеры.Совместимость с новыми технологиями и возможностиобновления системы в будущем уже доказаны улучшеннымифункциями автофокусировки (более высокие скорости,улучшенное прогнозирование автофокусировки длядвижущихся объектов, совместимость с многоточечнойавтофокусировкой), уже упомянутыми достижениями вобъективах TS-E с автоматической корректировкой апертуры,использованием USM в большинстве объективов EF,разработкой первого в мире объектива со стабилизациейизображения (Image Stabilizer) и созданием системы цифровойзеркальной камеры, которая может работать со всемиобъективами EF.

170

для получения однородной поверхности с сохранением асферическойформы.Изначально этапы обработки асферической поверхности исверхточного измерения формы необходимо было многократно повторять, так чтокаждая линза фактически изготавливалась вручную.Затем, в 1974 году, в компании Canon был разработан особый станок,который позволял производить более 1000 асферических линз вмесяц и тем самым проложил путь для серийного производства.

Шестнадцать технологий, используемыхв объективах EF высокого качества

Преодоление теоретического предела сферическихлинз: сверхточные асферические линзы

Фото 8. Высокоточные асферические линзы

Рис. 13. Измерительная система с преобразованием в полярныекоординаты компании Canon

Большинство объективов, использующихся для фотосъемки, состоятиз нескольких сферических линз. Радиус кривизны и тип оптическогостекла каждого элемента, воздушный зазор между элементамиразрабатывается так, чтобы в окончательной комбинации линзсократить аберрации различных линз до уровня, достаточного длядостижения требуемых характеристик. Сегодня компьютерыпредоставляют технологии автоматизированного проектирования имоделирования, которые позволяют быстро разрабатыватьвысококачественные объективы. Однако использование толькосферических линз представляет собой фундаментальную проблему:параллельные тучи света, проходя через сферическую линзу,теоретически не сходятся в одной точке, что приводит к ограничениямследующих параметров:Vкачество объективов с большой апертурой,Vкомпенсация искажений в сверхширокоугольных объективах иVминимальный размер компактных объективов. Для того чтобы снять эти ограничения и создавать объективы даже сболее высокими характеристиками, снизить искажения и уменьшитьразмер, остается один путь – использование технологии асферическихлинз.Компания Canon начала разработку технологий асферических линз всередине 60-х годов XX века, а теории проектирования и технологииточной обработки и измерений создала в начале 70-х. В 1971 годукомпания Canon выпустила коммерчески успешный объектив длязеркальных камер, содержащий асферическую линзу, – FD 55mmf/1.2AL. Этот успех явился следствием следующих двух пунктов:aСоздание технологии сверхточных измеренийДля измерения поверхностей асферических линз в компании Canonбыла самостоятельно разработана «измерительная система спреобразованием в полярные координаты», в которой измеряемыйобъект помещается на вращающийся стол и вращается относительносвоего центра кривизны. При этом отклонение поверхности объектаот опорной сферической поверхности измеряется с помощьюинтерферометра. Затем результаты измерений обрабатываютсякомпьютером для определения формы поверхности. При такойметодике достигается сверхвысокая точность: 1/32 часть длиныволны света, или 0,02 микрона (20 миллионных частей миллиметра).Эта технология измерений сформировала необходимую основу дляпоследующего развития различных технологий обработкиасферических линз.b Создание систем обработки асферических линз, использующихособые приемы шлифовки и равномерной полировки. Для точнойобработки асферических линз в компании Canon была создана особаясистема обработки асферических линз, которая шлифует линзуасферической формы с высокой точностью и затем полирует линзу

3

1

Фото 9. Пример сферического объектива

Фото 10. Пример асферического объектива

Угловая шкала

Счетчик

ЛазерЛазерный луч

Неподвижная призмаПодвижная призма(Передает движениеконтактного кулачка на интерферометр.)

Неподвиж-ное зеркало

Полупрозрачное зеркало:разделяет и синтезирует лазерный луч

Принимающий элемент:преобразует темные и светлые полосы интерференции (величину перемещения контактныхкулачков) интерферометра в электрический ток

Контактный кулачок: преобразуетасферическое отклонениетестируемой линзы в вертикальноедвижение.

Определение величиныперемещения (δi) контактныхкулачков по электрическому току

Лазерный интерферометр

Центр вращения тестируемого объекта

Направлениевращенияизмеряемой линзы

Измеряемая линза

Опорная сферическая поверхность

Отклонение измеряемой линзы от опорнойсферической поверхности (δi) составляет величинуасферичности. δi

171

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Рис. 14. Оптическая система объектива EF 85mm f/1.2L2USM –диаграмма трассировки лучей

Рис. 15. Оптическая система объектива EF 14mm f/2.8L USM –диаграмма трассировки лучей

Рис. 16. Сравнение размеров зум-объективов EF и FD

Рис. 17. Принцип действия асферической линзы

Сферическая аберрация сферической линзы

Корректировка фокуса с помощью асферической линзы

Фото 11. Формы для литья стеклянных асферических линзультравысокой точности

Рис. 18. Результаты точных измерений формы асферическойповерхности

Однако существовали пределы серийного производствашлифованных асферических линз, поэтому около 1978 года компанияCanon успешно применила эту технологию асферической обработки кформам для литья и разработала практичную и высокоточнуюсистему формования пластмасс для производства асферических линзс малой апертурой в серийных объемах и по низкой стоимости. Линзы,изготовленные с помощью этой системы нашли применение вкомпактных камерах в системе дальномера автофокусировки и внекоторых объективах для фотосъемки (Snappy/AF35MII). В начале1980-х годов компания Canon продолжила исследования и разработкив области литья стеклянных асферических линз с большой апертуройи в 1985 году успешно разработала действующую производственнуюсистему.Эти стеклянные асферические линзы производятся прямым литьемстекла в формовочной машине с использованием асферическойметаллической формы ультравысокой точности. При этомобеспечивается высокая точность, удовлетворяющая требованиям ккачеству сменных объективов для зеркальных камер, а такжевозможность серийного производства при относительно низкихзатратах. В 1990 году компания Canon добавила в свой арсеналчетвертую технологию производства асферических линз, разработавтехнологию копирования асферических линз с использованием смолы,застывающей под действием ультрафиолетового облучения, дляформирования асферического слоя на поверхности сферическойлинзы. При разработке объективов EF эти четыре типа асферическихлинз обеспечили конструкторам компании Canon исключительнуюгибкость, позволяя выбирать наилучший тип линз для каждогоприменения. Асферические линзы особенно полезны дляV компенсации сферических аберраций в объективах с большойапертурой, V компенсации искажений в широкоугольных объективах,V производства высококачественных компактных зум-объективов. Реальные примеры таких применений показаны нарис. 14

Асферическая линза

Асферическая линза

EF 28-105mm f/4-5.6 USM New FD 35-105mm f/3.5

φ76,

5 м

м

φ67

мм

68 мм 108,4 ммАсферическаялинза

Точность формы поверхности модели (величина отклоненияот асферической поверхности согласно расчетным критериям)

[м]

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

1,00 5 10 Угол

Профессиональные фотографы во всем мире неизменнохвалят серию L супертелеобъективов Canon с белым тубусомза сверхвысокое качество и непревзойденную резкость.Разгадка такого качества состоит в полном исключениивторичного спектра за счет активного использования линз изфлюорита и стекла UD.

ФлюоритV Для супертелеобъективов существует предел возможногоулучшения характеристик при использовании стеклянныхлинз.Уровень остаточных хроматических аберраций оказываетсущественное воздействие на степень резкостиизображения, получаемого с помощью телеобъективов исупертелеобъективов. Как показано на примере призмы сподавлением цвета (рис. 19), для коррекции хроматическихаберраций используются различные характеристикидисперсии, присущие разным типам оптического стекла: лучисвета с разными длинами волн посылаются в одномнаправлении.В фотографических объективах также можно привести лучидвух разных длин волн (например, красный и синий) в одну

точку фокуса,о б ъ е д и н и вв ы п у к л у юлинзу с низкойдисперсией и

172

Объективы из флюорита и UD – резкость, достаточная даже для съемки воздуха2

рис 16.Объектив EF 85mm f/1.2L II USM, показанный на рис. 14,разработан с использованием асферических элементов,которые заставляют все лучи, проходящие через объектив,собираться в одной точке. Изображение, сформированноелучами света, которые входят в объектив вдоль сечения,перпендикулярного к поверхности бумаги, будет размыватьсяпри максимальной апертуре. Асферические элементыобъектива устраняют это размытие и компенсируют кому.Для достижения хорошей компенсации по всей площадиизображения, от центра до краев, в этом объективеиспользуются два асферических элемента.Сверхширокоугольный объектив на рис. 15 содержитасферическую линзу с поверхностью в форме свободнойкривой и углом прохождения лучей света, которыйоптимизирует характеристики изображения, формируемогообъективом, по всей площади изображения. Прииспользовании этой асферической линзы значительнокомпенсируются искажения и размывания изображения покраям, ранее неизбежно возникавщие вультраширокоугольных объективах.На рис. 16 приводится сравнение предыдущего зум-объектива FD, состоящего только из сферических линз, сновым зум-объективом EF того же класса, в которомиспользуется асферическая линза. Использованиеасферической линзы привело к сокращению общей длиныобъектива и значительному снижению искажений и кривизныполя.

вогнутую линзу с большой дисперсией. Объектив, в которомвыполняется такая корректировка двух цветов (длин волн),называется ахроматическим объективом или простоахроматом. Однако, хотя два цвета встречаются в однойфокусной точке, промежуточные цвета (например, зеленый)фокусируются в другой точке. Эти хроматические аберрации,которые остаются даже после принятия мер по коррекциихроматической аберрации, называются вторичнымихроматическими аберрациями или вторичным спектром. Прииспользовании линз, изготовленных только из оптическогостекла, теоретический предел не позволяет снизить этотвторичный спектр ниже, чем величина «фокусное расстояниеx 2/1000 мм». Это происходит вследствие того, что даже дляразличных типов стекла, имеющих разные коэффициентыдисперсии, относительная дисперсия для всех длин волнстремится к постоянной величине.V Использование флюорита для изготовления линзсверхвысокого качестваФлюорит (плавиковый шпат) – это материал, которыйпозволяет преодолеть теоретический предел, налагаемыйоптическим стеклом, и добиться практически идеальнойкоррекции хроматических аберраций.Оптическое стекло изготавливается из окиси кремния спримесью, например, лантана и оксида бария. В процессеизготовления эти вещества смешиваются в печи,сплавляются при высокой температуре 1300° – 1400°C изатем медленно охлаждаются.Флюорит, с другой стороны, имеет кристаллическуюструктуру и обладает исключительными характеристиками,недостижимыми для оптического стекла – низкимкоэффициентом преломления и низкой дисперсией (рис. 23).Более того, дисперсионные характеристики флюорита почтисовпадают с характеристиками оптического стекла придлинах волн в диапазоне от красного до зеленого света, носущественно отличаются для длин волн в диапазоне отзеленого до синего (такая характеристика называетсянеобкновенной парциальной дисперсией). Использованиеэтих особых свойств позволяет значительно повыситькачество изображения супертелеобъективов, как показанониже.a Полное исключение вторичного спектраПри объединении выпуклой флюоритовой линзы с вогнутойстеклянной линзой с большой дисперсией по правиламкорректировки красных и синих длин волн необыкновеннаяпарциальная дисперсия флюорита эффективнокомпенсирует также и зеленые длины волн, снижаявторичный спектр до исключительно низкого уровня и сводявсе три длины волны (красную, зеленую и синюю) в однуфокусную точку, что делает возможной практически

Рис. 20. Оптическая система объектива EF 300mm f/2.8L USM

Линза UD

Флюорит

Рис. 19. Коррекция хроматической аберрации спомощью призм

173

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

идеальную компенсацию хроматической аберрации(апохроматическая характеристика), как показано на рис. 21.b Улучшение качества изображения по всей площадиизображения Полная длина телеобъективов, в которыхиспользуется схема распределения оптической силы спередней собирающей и задней рассеивающей линзой, можетбыть меньше фокусного расстояния. Для достижениявысокого уровня резкости по всему изображению от центрадо краев для этого типа объективов желательно, чтобыкоэффициент преломления передней собирающей группылинз был как можно меньше. Соответственно, прииспользовании флюорита с его низким коэффициентомпреломления качество изображения эффективноповышается по всей площади изображения.c Уменьшение общей длины объективаДля уменьшения общей длины телеобъектива желательномаксимально увеличить совместную оптическую силусобирающей-рассеивающей конструкции.Однако при использовании обычного оптического стеклаповышение общей оптической силы затрудняеткорректировку кривизны поля и ухудшает качествоизображения. С другой стороны, низкий коэффициентпреломления флюорита в условиях, сформулированныхПетцвалем, позволяет достичь значительного снижениядлины объектива, сохранив высокое качество изображения.Хотя необыкновенные оптические свойства флюоритаизвестны с 1800-х годов, мелкие размеры кристалловприродного флюорита позволяли использовать его только дляизготовления первых линз микроскопов. Хотя разработчикиобъективов давно хотели использовать флюорит вфотографических объективах, в большинстве случаевбыло исключительно сложно или даже невозможнополучить природные кристаллы, размер которыхпозволял бы применять их в объективе. Для решенияэтой проблемы компания Canon усердно трудилась надразработкой технологии изготовления искусственныхкристаллов флюорита и, наконец, успешно внедрилареальную технологию производства флюорита(технология искусственного выращивания кристалловфтористого кальция <CaF2>) к концу 1960-х годов. Этоодин из примеров неугасающего стремления Canon ктому, чтобы, используя наши собственные способности,создавать все необходимое для достижения идеала.Искусственно выращенный кристаллический флюоритвпервые был применен в фотографических объективахFL-F 300mm f/5.6 в 1969 году, и с тех пор он используетсяв объективах Canon FD, New FD, EF и многих

Фото 12. Кристаллы искусственного флюорита ифлюоритовые линзы

Рис. 21. Вторичный спектр

Рис. 22. Сравнение коррекции хроматических аберраций

Рис. 23. Оптические характеристики оптического стекла ифлюорита

Фото 13. Объективы EF с оптимальным просветлением

R

RG

GB

B

Низкий показательпреломления

Обычное оптическое стекло Флюорит

Низкая дисперсияи необыкновеннаяпарциальная дисперсия

Обычное оптическое стекло

Синий Зеленый КрасныйСильная цвето-вая аберрацияФлюорит

Слабая цветоваяаберрация

EF 600mm f/4L IS USM

FD 600mm f/4.5

+

-

Длина волны (нм)

0650500 550 700450

Остаточная хроматическая аберрация

174

Непревзойденная четкость, идеальнаяпередача цвета, покрытие Super Spectra3

других. Сегодня единственными сменными объективами длязеркальных камер, в которых используется флюорит,являются объективы EF.

Объективы UDИспользование флюорита для повышения качествасупертелеобъективов стало общепризнанным, но ещеосталась проблема, связанная с использованием флюорита вобъективах других типов. Эта проблема состоит вчрезвычайно высокой стоимости процесса искусственноговыращивания кристаллов флюорита. Вследствие этогоразработчики объективов давно мечтали о специальномоптическом стекле, которое обладало бы свойствамифлюорита, но стоило бы дешевле.Это желание окончательно сбылось в последней половине1970-х годов после разработки стекла UD (с ультра-низкойдисперсией). Коэффициент преломления и дисперсия стеклаUD не такие низкие, как у флюорита, но все же значительнониже, чем у остальных типов оптического стекла. Более того,стекло UD обладает необкновенной парциальнойдисперсией. Соответственно, стекло UD может дать почтитакой же эффект, как и флюорит (две линзы UDэквивалентны одной флюоритовой), при правильном выборесочетания линз и с учетом различных факторов, таких какфокусное расстояние.Флюорит и/или стекло UD используются в различныхобъективах: EF 135mm f/2L USM и EF 600mm f/4L IS USM(группа телеобъективов и супертелеобъективов), а такжеEF 28-300mm f/3.5-5.6L IS USM, EF 70-200mm f/2.8L IS USM,EF 70-200mm f/2.8L USM, EF 70-200mm f/4L IS USM, EF 70-200mm f/4L USM и EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS USM (зум-телеобъективы). Кроме того, линзы из стекла UDиспользуются в широкоугольных объективах EF 24mm f/1.4LUSM, EF 16-35mm f/2.8L USM, EF 17-40mm f/4L USM и EF 24-70mm f/2.8L USM для исправления хроматических аберраций.В 1993 году, после значительного повышения качества линзиз обычного стекла UD, были разработаны линзы изулучшенного стекла «super UD», обеспечивающие почтитакие же характеристики, как у флюорита, и использованныев объективе EF 400mm f/5.6L USM.Быстрое развитие цифровой фотографии также привлекловнимание к исправлению хроматических аберрацийфотографических объективов. Для решения этой задачи вбудущем линзы из флюорита, стекла UD и «super UD» будутиспользоваться даже в большем количестве объективов EF,от ширкоугольных до супертелеобъективов.

Просветление линз – это технология формированиясверхтонкой прозрачной пленки ваккуумным напылением наповерхности линзы. Причины нанесения покрытия на линзы:a повышение коэффициента пропускания и минимизациябликов и паразитных изображений,b достижение оптимального цветового баланса,c окисление («обжиг») поверхности линзы, котороеэффективно для изменения или улучшения свойств линзы иулучшения защиты поверхности линзы.Когда свет входит в объектив, около 4–10% света отражаетсяна поверхности каждой линзы (на границе стекло-воздух),приводя к значительным световым потерям в объективах,состоящих из нескольких элементов. Кроме того, повторные

отражения между поверхностями линз могут достигатьфокальной плоскости и вызывать блики или паразитныеизображения на фотографии. Эти вредные отражения можнозаметно снизить в широком диапазоне длин волн, нанося накаждую поверхность линзы многослойное покрытие,состоящее из нескольких тонких пленок с различнымикоэффициентами преломления. В компании Canonиспользуются несколько типов многослойных покрытий,которые оптимизированы в соответствии с коэффициентомпреломления просветляемой линзы. Кроме того, некоторые типы стекол, особенно стекла свысокими коэффициентами преломления, при изготовлениикоторых используются присадки, поглощают синий свет, чтоприводит к желтоватому оттенку формируемогоизображения. Если на это желтоватое стекло нанесено такоеже многослойное покрытие, как и на другие линзы, свет,проходя через линзу, желтеет и придает желтый оттенокбелым областям на фотографиях, снятых на цветную пленку.Для нейтрализации этого эффекта на поверхности снезначительными бликами и отражениями наносятсяоднослойные покрытия соответствующего цвета, напримержелтого, красного, пурпурного и синего, для обеспечения

Рис. 24. Поверхностное отражение стекла без покрытия

Рис. 25. Поглощение света и поверхностное отражение объектива

Рис. 26. Характеристики покрытия Super Spectra (коэффициентотражения)

100%90,25%

4,5125%5%

Падающий светПроходящий свет

Стекло

Поглощенный свет Отраженный свет

Эффективный свет (проходящий свет)

400 500 600 700 нм

50

0

100%

Падаю

щий свет

Ко

эфф

иц

иен

то

траж

ения

400 500 600 700 нм

4%

3

2

1

0

Многослойное покрытие ПокрытиеSuper Spectra

Однослойное покрытие

Без покрытия

175

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

одинакового цветового баланса всех сменных объективов EF.Все объективы EF просветляются в соответствии сфирменными стандартами, более строгими, чем поле допускаCCI (индекс цветового вклада), установленное ISO(Международная организация по стандартизации). Этотпроцесс просветления называется в компании Canonпокрытием Super Spectra и реализует такие возможности, каквысокий коэффициент пропускания, фильтрацияультрафиолетовых лучей, долговечная поверхностнаятвердость и стабильность характеристик.Благодаря этим строгим процедурам нанесения покрытийобъективы EF отличаются превосходными характеристикамиизображения, такими какa резкость, высокая контрастность, яркость изображений;b одинаковый цветовой баланс всех объективов EF;c правильное воспроизведение цвета, не изменяющееся современем.

Зум-объективы позволяют непрерывно изменять фокусноерасстояние в определенном диапазоне и поддерживатьфокусировку во время зумирования. (Зум- объективы, вкоторых фокус изменяется при изменении фокусногорасстояния, называются «объективами с переменнымфокусом».) В зум-объективах часть системы перемещаетсявдоль оптической оси для изменения фокусного расстояния,а другая часть одновременно перемещается, компенсируясмещение фокуса. Поэтому в зум-объективах должно быть не менее двух групплинз, которые можно перемещать вдоль оптической оси. Нарис. 27 показана конструкция объектива EF 28-80mm f/3.5-5.6V USM, типичного короткого зум-объектива с двумяперемещающимися группами (короткими называются зум-объективы длиной не более 40 мм в положении сминимальным фокусным расстоянием).2-я группа называется «вариатором»; эта группаперемещается для изменения фокусного расстояния. 1-ягруппа на конце объектива перемещается одновременно со 2-й группой, компенсируя смещение фокуса, и поэтомуназывается «компенсатором». 2-я группа также служит дляфокусировки путемрегулировки фокусной точки.В коротком положениизумирования 1-я группаобеспечивает отрицательноепреломление (расхождениелучей), 2-я группа –положительное преломление(схождение), а весь объективотносится к типу конструкций сзадним фокусом. Этот типоптических схем особеннохорошо подходит дляширокоугольных зум-объективов, так как обладаетс л е д у ю щ и м ихарактеристиками:a Передняя линза имеетмалый диаметр, упрощаяп о л у ч е н и е

Рожденные инновациями:зум-объективы с несколькими группами4

100 мм

250 мм

400 мм

1-я

группа2-я

группа3-я

группа

4-я группа(фокусиру-

ющая группа)

6-я группа(фокусирую-щая группа)

5-я группа

Рис. 28. Конструкция зум-объектива с несколькими группами(EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS USM)

Рис. 27. Конструкция короткого зум-объектива (EF 28-80mm f/3.5-5.6 %USM)

28 мм

50 мм

80 мм

2-я группа 3-я группа1-я группа(фокусиру-ющая)

Фото 14.Кулачковое кольцо длязумирования с высокойточностью (EF 100-400mmf/4.5-5.6L IS USM)

176

Быстрая и плавная фокусировка:системы с задней и внутренней фокусировкой5

Рис. 29. Системы с задней и внутренней фокусировкой

EF 70-200mm f/2.8L IS USM с внутренней фокусировкой

∞

1,4 м

EF 400mm f/5.6L USM с задней фокусировкой

∞

3,5 м

EF 24-70mm f/2.8L USM с задней фокусировкой

∞

0,38 м

компактной и недорогой конструкции.bВ положении кратчайшего фокусного расстояния бочкообразнаядисторсия невелика.c Конструкция с 1-й фокусирующей группой позволяет выполнятьфокусировку вплоть до очень малых расстояний.Этот тип конструкции, однако, представляет проблему: есликоэффициент масштабирования короткого зум-объективастановится слишком большим, возрастает диапазон перемещения2-й группы, тем самым увеличивая как длину объектива, так имаксимальное изменение апертуры. При большом коэффициентезумирования необходимо также увеличить преломляющую силу 2-й группы, а это, соответственно, увеличивает число линз,необходимых для компенсации аберраций, и общий размеробъектива, поэтому весьма сложно достичь большогокоэффициента зумирования при компактном размере объектива.Решение этой проблемы лежит в области разработки объективов снесколькими группами. Эта технология разработана дляпреодоления ограничений, присущих небольшим зум-объективам, идостижения большого коэффициента зумирования при маломразмере объектива.В коротких зум-объективах изменение фокусного расстояния(зумирование) выполняется одной только 2-й группой; в зум-объективах с несколькими группами эта задача распределяетсямежду несколькими группами линз. Таким образом, зум-объектив снесколькими группами – это зум-объектив, содержащий три иболее подвижных групп линз. Схема зумирования с несколькими группами имеет следующиепреимущества:a Так как для изменения фокусного расстояния перемещаетсянесколько групп линз, диапазон перемещения каждой группы линзможно сделать небольшим, что позволяет создать компактнуюконструкцию объектива. Более того, требуемые измененияапертуры можно выполнять без использования сложныхмеханизмов диафрагм.b Благодаря тому, что зумирование распределено междунесколькими группами линз, каждая группа может иметьотносительно слабое преломление, позволяя компенсироватьаберрации с использованием сравнительно небольшого числа линз.c Так как используется несколько групп линз, возрастает степеньсвободы выбора оптической схемы и для компенсации аберрацийможно использовать большее число вариантов, напримерразрабатывать группы линз, которые совместно нейтрализуютсоответствующие аберрации (кросс-компенсация).Технология зумирования с несколькими группами являетсяоптической технологией высокого уровня, которая может отвечатьширокому набору требований при проектировании объективов, ноона возможна только при наличии технологий проектирования,обработки и производства улучшенных тубусов объективов,позволяющих выполнять совместное перемещение несколькихгрупп. В настоящее время в конструкциях объективов EF 28-90mmf/4-5.6 III, EF 24-85mm f/3.5-4.5 USM, EF 100-400mm f/4.5-5.6L ISUSM и всех остальных зум-объективах EF используется технологиязумирования с несколькими группами, обеспечивающая большойкоэффициент зумирования, компактный размер и выдающеесякачество фотографий одновременно.

Обычные фотографические объективы выполняют фокусировкуметодом фокусировки всеми группами, при котором все группылинз совместно перемещаются вдоль оптической оси, либометодом фокусировки передней группой, при котором

перемещается только передняя группа линз. Метод фокусировкивсеми группами имеет преимущество – относительно небольшоеизменение аберраций при изменении расстояния съемки – ипоэтому он наиболее часто используется в объективах сфиксированным фокусным расстоянием. В телеобъективах исупертелеобъективах, однако, этот метод менее пригоден, так какприводит к увеличению размера и веса объектива.Фокусировка передней группой, с другой стороны, в основномиспользуется в зум-объективах: преимущество этого методасостоит в том, что он приводит к относительно простойконструкции объектива. Однако этот метод имеет и недостатки,так как он сужает диапазон зумирования и ограничиваетвозможность сокращения размеров объектива. Для преодоленияслабых мест этих двух методов компания Canon разработалаидеальный метод фокусировки, который называется заднейфокусировкой (или внутренней фокусировкой), для использованияв телеобъективах и супертелеобъективах. В этом методе системаобъектива делится на несколько частей и для выполненияфокусировки перемещается задняя или средняя группа линз.Помимо телеобъективов и супертелеобъективов EF, в настоящеевремя задняя фокусировка используется в объективе EF 16-35mmf/2.8L USM и других зум-объективах. В методе задней фокусировкииспользуется плавающий эффект, который также разрабатывалсядля использования в широкоугольных объективах, таких какEF 14mm f/2.8L USM, EF 20mm f/2.8 USM и EF 24mm f/2.8.Кроме того, Canon также успешно использует заднююфокусировку в зум-объективах.Конструкция с задней/внутренней фокусировкой имеет следующиепреимущества:a Так как при фокусировке перемещается легкая группа линз,ручная фокусировка выполняется очень легко. Более того,возможна автофокусировка с высоким быстродействием.b При фокусировке длина объектива не изменяется. Кроме того,можно разработать цельную конструкцию объектива с болеевысокой жесткостью.

177

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Значительное повышение качестваизображения на малых расстояниях:

плавающая система6

Максимально возможное качествообъектива: исключение внутренних

отражений7

Рис. 30. Плавающая системаобъектива EF 24mm f/1.4LUSM

Рис. 31. Плавающийэффект (нарасстоянии 0,25 м)

Рис. 33. Плавающийэффект (нарасстоянии 0,95 м)

Рис. 32. Плавающая системаобъектива EF 85mmf/1.2L@USM

∞

0,25 м

Астигматизм

Отсутствие плавающего эффекта

Плавающий эффект

∞

0,95 м

Сферическая аберрация

Отсутствие плавающего эффекта

Плавающий эффект

c Так как кольцо фокусировки можно поместить в положение,оптимальное для фокусировки, и благодаря тому что кольцо неперемещается туда и обратно во время фокусировки, удаетсядостичь великолепной балансировки объектива.dМожно создать более компактную конструкцию объектива.e Можно сократить минимальное расстояние фокусировки, посравнению с обычными методами фокусировки.f Так как при выполнении фокусировки кольцо крепленияфильтра не вращается, повышается удобство работы споляризационными фильтрами.g Так как при выполнении фокусировки передняя рамка неперемещается, в режиме автофокусировки можно использоватьне только лепестковые козырьки с хорошей защитой, но также итакие аксессуары, как держатели желатиновых фильтров.В компании Canon объективы, в которых перемещаются группылинз, расположенные за диафрагмой (в направлении кповерхности пленки), называются объективами с заднейфокусировкой, а объективы, в которых перемещаются группы,расположенные между диафрагмой и передней линзой,называются объективами с внутренней фокусировкой.

Обычные объективы позволяют достичь оптимальнойкомпенсации аберраций только для одного или, возможно, двухрасстояний до точки съемки в том диапазоне расстояний, которыйобычно используется при съемке с помощью данного объектива.Поэтому, хотя аберрации хорошо компенсируются приоптимальном расстоянии до объекта, при других расстоянияхаберрации возрастают и ухудшают качество изображения.Степень этого ухудшения качества изображения зависит от типа

объектива и размера диафрагмы: ухудшение изображенияотносительно мало в симметричных объективах, но относительновелико в несимметричных объективах, таких как объективы сзадним фокусом. В объективах с задним фокусом, в частности,аберрации возрастают при уменьшении фокусного расстояния ипри увеличении диафрагмы. В широкоугольных сменныхобъективах для зеркальных камер (в большинстве которыхобязательно используется конструкция с обратным фокусомвследствие необходимости использования заднего фокуса)аберрации малы при фокусировке на большие расстояния, нокривизна поля становится значительно более выраженной намалых расстояниях фокусировки, приводя к расфокусировке покраям изображения или к расфокусировке центра при настройкерезкости по краям изображения.Для обеспечения идеальной коррекции аберраций во всемдиапазоне расстояний фокусировки компания Canon разработалаплавающую систему, в которой та часть объектива, котораяиспользуется для корректировки аберраций, перемещается(«плавает») при регулировке фокуса. Эта система работает вобъективе EF 24mm f/1.4L USM и других широкоугольныхобъективах с большой апертурой, а также в объективе EF 180mmf/3.5L Macro USM для улучшения качества при малых расстояниях.Компания Canon также разработала метод добавленияплавающего эффекта в объективы с задней фокусировкой.Например, в объективе EF 14mm f/2.8L USM система объективаразделена на переднюю и заднюю группы, и для фокусировкииспользуется только задняя группа. Если рассматривать системуобъектива в целом, это перемещение задней группы дляфокусировки изменяет расстояние между линзами в соответствиис расстоянием съемки и, тем самым, создает плавающий эффект.Так как оптика объектива разрабатывалась с самого начала сучетом этого плавающего эффекта, обеспечивается высокаястепень коррекции аберраций при съемке с близких расстояний.Другое применение плавающего эффекта состоит впредотвращении сферической аберрации, которая значительновозрастает при съемке на малых расстояниях с помощьюобъективов с большой апертурой. Это является основнойпричиной использования плавающей системы в таких объективах,как EF 50mm f/1.2L USM, EF 85mm f/1.2L II USM и EF-S 60mm f/2.8Macro USM. Плавающая система этих объективов отличается отплавающей системы широкоугольных объективов, где задняягруппа линз остается неподвижной, а оставшаяся часть объективараздвигается при фокусировке. Эта схема позволяет добитьсяпочти полного отсутствия бликов и высокого качестваизображения на всех расстояниях съемки.

Паразитные изображения и блики вызываются вреднымиотражениями света внутри объектива, нанося ущерб качествуизображения. Поэтому при проектировании объективов EFисключаются отражения, как от линз, так и от тубуса. На каждуюлинзу наносится специальное покрытие, которое предотвращаетпоявление вредных отражений света путем подавленияповерхностного отражения линзы. Отражение в тубусе объективаснижается выбором наилучшего метода просветления для каждойлинзы в списке различных методов, перечисленных на следующейстранице.

178

Рис. 34. Флокирование деталей для исключения внутреннихотражений в объективе EF 300mm f/2.8L IS USM

Рис. 35. Перемещаемая диафрагма для отсечения бликов вобъективе EF 28-135mm f/3.5-5.6 IS USM

Фото 15. Процесс осаждения вобъективе EF 300mm f/4L ISUSM

Рис. 36. Внутренние насечки,блокирующие прохождение светав объективе EF 24mm f/2.8

Ключевые элементы бесшумной, быстрой и плавнойавтофокусировки: Система с полностью электронным

крепленим и двигателем привода, встроенным в объектив8

a Методы антиотражающего покрытияВ этом методе специальная краска наносится на угловыепроверхности и соединительные поверхности в местахкрепления линз, а не на весь тубус объектива, для остановкисвета, входящего в объектив в результате отражения от этихчастей. При использовании стандартного покрытия отраженияфактически возрастают вследствие большого размера частицкрасителя и того факта, что покрытие имеет более низкийкоэффициент преломления, чем стекло. Поэтому компанияCanon разработала несколько типов специальныхантиотражающих покрытий, имеющих более высокийкоэффициент преломления и микроскопические размеры частицкрасителя, и могут использоваться в соответствии с местом ицелью, обеспечивая превосходный антиотражающий эффект.b Метод электростатического осажденияВ этом методе используется технология электростатическогоосаждения для прямого нанесения микроскопических ворсинокна поверхности, требующие антиотражающего покрытия. Так какворсинки встают перпендикулярно поверхностям стенки, этотметод очень эффективен, особенно для покрытия длинныхсекций тубуса телеобъективов и супертелеобъективов спостоянным фокусным расстоянием, а также зум-объективов и

внутренних бленд.cМетоды антиотражающих элементов конструкцииВ дополнение к методам специального покрытия и нанесенияворсинок для предотвращения внутренних отражений можнотакже использовать различные конструктивные элементы,например блокирующие прохождение света насечки и острыекрая для уменьшения площади отражающей поверхности (рис.34 и 35), блокирующие прохождение света бороздки на широкихбоковых краях линз (бороздки заполняются антиотражающимматериалом и действуют в качестве постоянной диафрагмы:рис. 36), фиксированные и перемещаемые диафрагмы (в зум-объективах), которые играют вторую роль устройств дляустранения бликов. Эти меры также распространяются налепестки диафрагм: поверхности лепестков диафрагмы в блокеEMD (изготовленных из пластмассы или металла)обрабатываются специальным антиотражающим покрытием,которое также играет роль смазки, для предотвращениявозникновения паразитных изображений в форме максимальнойапертуры.

Полностью электронная система крепления и система привода,встроенная в объектив, – это ответ компании Canon напроблемы, присущие системам привода, встроенным в корпусфотокамеры, а также ключевой пункт при реализациибесшумной, плавной и быстрой автофокусировки с высокойточностью, которая принесла известность системе EOS. Этасистема представляет правильную реализацию концепции Canonпо разработке фотоаппаратов с использованием мехатроники,суть которой – «размещение привода вблизи соответствующегоперемещаемого блока и полностью электронное управлениевсеми операциями передачи данных и сигналов управления». Этаисключительно рациональная и логичная система обладаетследующими преимуществами над обычными системами.VФункцииa Так как каждый объектив EF можно оснастить оптимальнымприводом, соответвующим определенным характеристикамавтофокусировки, то можно создать высокоскоростной приводобъектива без перегрузок для всего диапазона объективов: отобъектива «рыбий глаз» до супертелеобъектива. Преимуществоэтой системы над системами привода, встроенного в корпус,возрастает по мере удаления перемещаемого блока от корпусакамеры в длинных супертелеобъективах, что позволяеткомпании Canon встраивать автофокусировку во всесупертелеобъективы, включая EF 600mm f/4L IS USM.b Так как привод находится рядом с перемещаемым блоком, тоэнергия привода передается эффективно, с минимальнымипотерями и шумами.c Использование электронной системы крепленияпредоставляет разработчикам объективов широкий выбор типовприводов.d Система позволяет с легкостью встраивать новыевысокопроизводительные приводы по мере их разработки,обеспечивая замечательный потенциал для усовершенствованияв будущем.В настоящее время Canon использует пять типов приводов,выбирая лучший тип в соответствии с характеристикамиобъективов.VКольцевой USM VMicro USM

Диафрагма для отсечения бликов

Линии блокированияпрохождения света Флокированная зона

179

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Рис. 37. Различные приводы двигателейРис. 38. Объектив EF 28-135mm

f/3.5-5.6 IS USM,показывающий USM

Рис. 39. Конструкция кольцевого USM

В согласии с системой EOS: усовершенствованный ультразвуковой двигатель9

V AFD (Привод дуговой формы: круговая деформациябесщеточного двигателя)V Микродвигатель постоянного тока общего назначения безсердечникаV Микродвигатель постоянного тока общего назначения ссердечникомК другому типу приводов, используемых в объективах EF,относится EMD (электромагнитная диафрагма), в которойобъединен шаговый двигатель деформации управляемойдиафрагмы и блок лепестковой диафрагмы. Подробныесведения см. на стр. 182.

USM (ультразвуковой двигатель) – это новый тип двигателей,впервые примененный в фотографических объективах Canon EF.Кольцевой USM, дебютировавший в 1987 году в объективеEF 300mm f/2.8L USM, поразил мир своей беззвучной исверхскоростной автофокусировкой. Затем, в 1990 году,компания Canon внедрила новую технологию серийногопроизводства на основе усовершенствованного кольцевого USMдля использования в объективах массового спроса. В 1992 годупоследовала успешная разработка Micro USM, нового типа USM,позволяющего использовать методы автоматизированногопроизводства, а в 2002 году был разработан сверхкомпактныйMicro USM II, вдвое короче Micro USM. С таким арсеналом USMнедалек тот день, когда Canon реализует свою мечту:использовать USM во всех объективах EF.W Описание кольцевого USMСуществует множество различных типов и конструкций обычныхдвигателей; в их основе лежит преобразованиеэлектромагнитных сил в крутящий момент. Ультразвуковыедвигатели, с другой стороны, используют абсолютно новыйпринцип, когда сила вращения формируется из энергии

ультразвуковых колебаний. В настоящее время известны тритипа USM, включая USM, находящиеся в стадии исследования иразработки, классифицируемые по способу преобразованияэнергии колебаний в крутящий момент: стоячая волна, бегущаяволна и вибрирующий язычок. По этой классификации все USM,используемые в объективах Canon, относятся к типу бегущейволны. Базовая конструкция двигателя очень простая, онасостоит из эластичного статора и вращающегося ротора. Нижняячасть статора состоит из эластичного металлического кольца сприкрепленным к нему пьезоэлектрическим керамическимэлементом, а верхняя часть состоит из множестваравноотстоящих выступов с поперечным сечениемтрапециевидной формы. Статор изготовлен из особогоматериала с коэффициентом теплового расширения, близким ккоэффициенту теплового расширения пьезоэлектрическогокерамического элемента, что минимизирует искривления кольца,возникающие при изменении температуры. Этим обеспечиваетсястабильная работа в широком диапазоне температур. Роторпредставляет собой алюминиевое кольцо с пружиной в формефланца в месте контакта со статором, поэтому ротор прижат кстатору. Так как алюминий – довольно мягкий материал, в местеконтакта ротора со статором поверхность покрыта особымизносостойким материалом.

W Возможности кольцевого USMОсновные возможности ультразвуковых двигателей состоят вследующем:a Можно легко реализовать выходные характеристики с низкойскоростью и высоким крутящим моментом (USM можетгенерировать большее количество энергии на более низкихскоростях, чем обычный двигатель, который вращаетсяэлектромагнитной силой), что позволяет выполнять прямоеперемещение без использования понижающей зубчатойпередачи.b Большой момент вращения удержания. Другими словами,когда двигатель останавливается, объектив автоматическиудерживается на месте тормозом диска.

Пружинав форме фланца

Пьезоэлектрическийкерамический элемент

Ротор

Статор

Эластичныйметалличес-кий корпус

Кольцевой USM

Micro USM

Micro USM@

Блок передачи

Блокпередачи

EMD

180

t=0

PРотор

Статор

t=T/4

t=T/2

P

P

T: период бегущей волны изгиба

Эластичный металлическийкорпус

Керамический пьезоэлектрическийэлемент

Направление трансформации пьезоэлектрических элементов

Напряжение переменного тока

Полярность пьезоэлектрических элементов

Пьезоэлектрическийкерамический

элемент фазы A

Пьезоэлектрическийкерамический

элемент фазы B

Напряжениепеременноготока фазы A

Напряжениепеременноготока фазы B

Обнаружение резонанснойчастоты

Рис. 40. Вращение ротора поддействием распространенияволн изгиба

Рис. 41. Колебания, создаваемыепьезоэлектрическимикерамическими элементами

Рис. 42. Схема расположенияпьезоэлектрическихкерамических элементов(в основании статора)

Фото 16. Кольцевой USM

c Конструкция предельно проста.d Хорошая управляемость и реакция при запуске иотстановке. (Возможен быстрый запуск и остановка, точноеуправление.)e Предельно тихая работа (практически бесшумная).В добавление к вышесказанному кольцевые USM компанииCanon обладают также следующими возможностями:f Высокая эффективность и низкое энергопотреблениепозволяют приводить USM в действие от элементов питанияфотокамеры.g Кольцевая форма двигателя является оптимальной длявстраивания в тубус объектива.h Низкая скорость вращения оптимально подходит дляпривода объектива.i Возможно непрерывное изменение скорости вращения вшироком диапазоне от 0,2 об/мин (один оборот за пять минут)до 80 об/мин, что обеспечивает высокую точность и высокуюскорость управления приводом объектива. j Стабильность работы достигается в самых жесткихусловиях, при использовании в широком диапазоне температурот -30°C до +60°C.Для любого двигателя система управления двигателемпривода является важной подсистемой, необходимой дляполного достижения конкретных характеристик двигателя. Этоверно и для ультразвуковых двигателей. В объективах CanonUSM такие функции, как обнаружение ультразвуковогорезонанса при изменении температуры, генерация двухнапряжений переменного тока с разными фазами, управлениезапуском и остановкой, электронное регулирование скоростиручной фокусировки, управляются микрокомпьютером,встроенным в объектив.

выполняя рабочий цикл.Как показано на рис. 41и 42, бегущие волныизгиба формируются сп о м о щ ь юпьезоэлектрическогок е р а м и ч е с к о г оэлемента (элемент,который расширяется исжимается поддействием переменногонапряжения), которыйприкреплен коснованию статора иу п р а в л я е т с яэлектронной схемой.Этот пьезоэлектри-ческий керамическийэлемент попеременнополяризуется внаправлении толщины,к нему прикладываетсян а п р я ж е н и епеременного тока счастотой, близкой крезонансной частотеколебаний изгиба иприблизительно равной30 000 Гц (это частотанаходится ву л ь т р а з в у к о в о мдиапазоне, откуда ипроизошло названиеUSM). Прикладываемоенапряжение порождаетколебания в статоре (самплитудой всего лишьоколо 0,001 мм),которые объединяютсясо сдвинутыми по фазек о л е б а н и я м и ,создаваемыми другимпьезоэлектрическимэ л е м е н т о м ,прикрепленным коснованию статора в

W Принцип вращения кольцевого USM

Принцип действия кольцевого USM состоит в следующем:вибрация воздействует на эластичное тело, называемоестатором, в результате чего в статоре возникают вибрации.Эта энергия колебаний через плотный контакт между ротороми статором вызывает непрерывное вращение ротора. Говоряболее технически, сила трения, порожденная бегущей волнойизгиба в статоре, является источником силы вращения. Рис. 40иллюстрирует способ передачи силы бегущих волн изгиба,сформированных в статоре, на ротор. Если рассмотретьдвижение конца штырька P при распространении волны слеванаправо, видно, что он движется в направлении,противоположном движению волны. Ротор сдвигается поддействием силы трения в каждой точке P, таким образом

другом месте, смещенном на одну четвертую часть периода.Эта порождает волну – бегущую волну изгиба (7 колебанийволны за цикл), двищущуюся вдоль статора, которая иявляется источником энергии вращения двигателя.W Описание и возможности Micro USMКольцевой USM является ультразвуковым двигателем,который с самого начала разрабатывался для встраивания вобъективы с круглым тубусом. Micro USM, напротив, являетсяновым двигателем, который разрабатывался как«многоцелевой миниатюрный ультразвуковой двигатель». MicroUSM обладает следующими возможностями:V Так как отсутствует ограничение, связанное с диаметромобъектива, Micro USM можно встраивать в различныеобъективы, независимо от конструкции оптической системы.V Статор, ротор и выходная зубчатая передача встроены вединый компактный блок, размер и вес которого

181

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Micro USM II

Micro USM

Фланецкрепления

Выходнаязубчатая передача

Пьезоэлек-трический элемент

Ротор

Осциллятор 1

Прижимнаяпружина

Фланец крепления

Вал

Пьезоэлектрическийэлемент

Ротор Осциллятор 2Осциллятор 1

Осциллятор 2

Направление вращения

Ротор

Статор

Группа пьезоэлектрическихэлементов фазы A

Группа пьезоэлектрическихэлементов фазы B

Пьезоэлектрический элемент обнаружения резонанснойколебательной волны

Группа пьезоэлектрическихэлементов фазы A

Группа пьезоэлектрическихэлементов фазы B

Пьезоэлектрический элемент обнаружения резонанснойколебательной волны

Соответ-ствующие объективы

Позиция Micro USM Micro USM@

EF 50mm f/1.4 USM

EF 28-90mm f/4-5.6@ USM

EF 28-200mm f/3.5-5.6 USM

EF 55-200mm f/4.5-5.6@ USM

EF 70-300mm f/4-5.6 IS USM

EF 75-300mm f/4.5-5.6# USM

EF 90-300mm f/4.5-5.6 USM

EF 28-105mm f/4-5.6 USM

EF-S 18-55mm f/3.5-5.6@ USM

Кольцевой USM (типа MI) Кольцевой USM (типа LI)

EF 14mm f/2.8L USM

EF 20mm f/2.8 USM

EF 24mm f/1.4L USM

EF 28mm f/1.8 USM

EF 35mm f/1.4L USM

EF 50mm f/1.2L USM

EF 85mm f/1.8 USM

EF 100mm f/2 USM

EF 100mm f/2.8 Macro USM

EF 135mm f/2L USM

EF 180mm f/3.5L Macro USM

EF 200mm f/2.8L@ USM

EF 300mm f/4L IS USM

EF 400mm f/4 DO IS USM

EF 400mm f/5.6L USM

EF-S 60mm f/2.8 Macro USM

φ11

26,7

11

φ11

13,4

6

φ62

10

26

φ77

10

45

EF 85mm f/1.2L@USM

EF 300mm f/2.8L IS USM

EF 400mm f/2.8L IS USM

EF 500mm f/4L IS USM

EF 600mm f/4L IS USM

Наружный диаметр (мм)

Длина (мм)

Масса (г)

EF 16-35mm f/2.8L USM

EF 17-40mm f/4L USM

EF 20-35mm f/3.5-4.5 USM

EF 24-70mm f/2.8L USM

EF 24-85mm f/4-5.6 USM

EF 24-105mm f/4L IS USM

EF 28-105mm f/3.5-4.5@ USM

EF 28-135mm f/3.5-5.6 IS USM

EF 28-300mm f/3.5-5.6L IS USM

EF 70-200mm f/2.8L IS USM

EF 70-200mm f/2.8L USM

EF 70-200mm f/4L IS USM

EF 70-200mm f/4L USM

EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM

EF 100-300mm f/4.5-5.6 USM

EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS USM

EF-S 10-22mm f/3.5-4.5 USM

EF-S 17-55mm f/2.8 IS USM

EF-S 17-85mm f/4-5.6 IS USM

Фото 17. Micro USM (слева) Micro USM@(справа)

Рис. 43. Конструкция Micro USM/Micro USM@

Рис. 44. Характеристикипьезоэлектрического элемента

Рис. 47. Принцип вращенияротора привода MicroUSM

Рис. 46. Принцип вибрациистатора Micro USM

Рис. 45. Конструкцияпьезоэлектрического элементаMicro USM

Таблица 2. Типы USM и оснащенные ими объективы

приблизительно вдвое меньше кольцевого USM.V Поскольку его цена меньше цены кольцевого USM, егоможно использовать в недорогих объективах.

W Основная конструкция Micro USM

Как показано на рис. 43, Micro USM имеет совмещеннуюконструкцию, в которой пьезоэлектрический элемент, статор иротор соединены вертикально и объединены с выходнойз у б ч а т о йпередачей во д н о мк о м п а к т н о мблоке. Статорсостоит из 5с л о е впьезоэлектрических элементов,причем сверху иснизу откаждого слояп р о л о ж е н ыд и с к иметаллических

вибраторов. В целом блок статора работает как эластичныйцилиндрический стержень.Ротор, который объединен с корпусом пружины, прижимаетсяк статору под давлением пружин, встроенных во внутреннийцилиндр корпуса пружины. Вращение ротора передаетсяпрямо на выходную зубчатую передачу с передаточнымсоотношением 1:1. Различные компоненты двигателя – статор,ротор и выходная зубчатая передача – объединены в единыйблок Micro USM с помощью вала статора, который проходитчерез центр всех компонентов, и фланца сверху, которыйудерживает их вместе. Двигатель встраивается в объектив,как показано на рис. 37.W Принцип действия Micro USM

Ультразвуковые вибрации,являющиеся источникомэнергии вращения, создаютсяс помощью электронной цепидля движения четырех слоевп ь е з о э л е к т р и ч е с к и хэлементов, которые имеютхарактеристики, показанныена рис. 44. Каждый из четырехпьезоэлектрических слоевсостоит из двухп ь е з о э л е к т р и ч е с к и хэлементов, разделенных надве фазы, фазу A и фазу B,которые сдвинуты друготносительно друга на 90°. Всамом основании пакетанаходится пятый слойп ь е з о э л е к т р и ч е с к и хэлементов, которыйиспользуется для обнаруженияволны резонансного колебания(рис. 45).

182

Фото 18. Блок EMD

Рис. 48. Конструкция EMD

Рис. 49. Конструкция шагового двигателя

Непревзойденная точность цифровогоэлектронного управления: EMD10

Магнит ротора

Катушка-1 Катушка-2

Статор-1 Статор-2

Лепесток диафрагмы

Магнит/передача ротора

Гибкая печатная плата

Катушка

Статор

Эти пять слоев встроены в основание статора. Еслинапряжение переменного тока прикладывается только кфазе A группы пьезоэлектрических элементов, торасширение и сжатие пьезоэлектрических элементоввызывает небольшие колебания верхней части статоравлево-вправо (рис. 46). Если напряжение переменного токаприкладывается к фазе B, то расширение и сжатиепьезоэлектрических элементов вызывает небольшиеколебания верхней части статора вперед-назад. Наконец,если приложить к фазе A и к фазе B переменный ток сосдвигом на 90° по фазе, то сумма колебаний обеих фазпорождает небольшую волну вращения (1 колебание за циклс амплитудой 0,002 мм), которая вызывает небольшоекруговое движение верхней части статора, как показано нарис. 47. В свою очередь, ротор, который прижат к статорублагодаря дополнительной энергии пружины, также начнетвращаться из-за силы трения, порождаемой волнойвращения. Вращение ротора, в свою очередь, вызываетвращение прикрепленной прямо к нему выходной зубчатойпередачи. В Micro USM сохраняется принцип действиякольцевого USM, в котором фрикционные колебания,порожденные сформированными в статоре бегущимиволнами изгиба, причем ротор вращается в направлении,противоположном направлению движения волн.W Micro USM@Micro USM II – ультракомпактный ультразвуковой двигатель,разработанный в качестве привода автофокусировки длявстраивания в еще меньшее пространство, обусловленноеуменьшением размеров тубусов объективов. Он обладаетследующими возможностями.В обычных Micro USM статор и ротор расположеныпоследовательно. Если просто сократить длину блока безизменения порядка, то резонансная частота колебанийизгиба в статоре становится слишком высокой, не позволяядостичь достаточной амплитуды колебания. Для разрешенияэтой проблемы часть статора была расположена внутриротора, а также был разработан абсолютно новый форматколебаний для Micro USM II, что позволило сократить длинублока, не повышая резонансной частоты. В результате былразработан ультракомпактный блок приблизительно вдвоекороче и легче двигателя Micro USM, но с почти такими жехарактеристиками. Привод Micro USM II был впервыеустановлен в объектив EF 28-105mm f/4-5.6 USM, иразрабатываются планы расширения его использования и вдругих объективах, в основном, в ультракомпактных зум-объективах.

Каждый объектив EF содержит EMD (электромагнитнуюдиафрагму), которая электронным способом управляетдиаметром апертуры объектива и предназначена дляиспользования с полностью электронной системой крепленияи передачей данных EOS. EMD – это привод управлениядвижением диафрагмы, имеющий удобную форму длякруглых тубусов объективов и объединяющий шаговыйдвигатель деформации и лепестковую диафрагму в одномблоке. (Фото 18.)Управление диаметром диафрагмы выполняется импульснымэлектрическим сигналом, в соответствии со значением,

которое установлено вручную с помощью электронного дискакамеры, или автоматически определено еемикрокомпьютером.Особенности EMD состоят в следующем:a Так как управление выполняется электронным способом,точность управления значительно повышается.b Достигается высокая скорость реакции при запуске иостановке, так как перемещение выполняется шаговымдвигателем.c Работает почти бесшумно, так как исключены удары,присущие рычажным механизмам.d Диафрагму можно полностью закрыть для проверкиглубины резкости простым нажатием кнопки в любой моментнезависимо от того, какой режим управления экспозициейустановлен в камере – автоматический или ручной.e Реализуется максимальная долговечность и надежностьблагодаря уменьшению нагрузок во время перемещения.f При увеличении мощности двигателя система можетработать с диафрагмами большого диаметра.g Отсутствие механической связи с корпусом камерыпредоставляет большую свободу при выборе компоновкидиафрагмы.

183

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Объединение автофокусировкии постоянной ручной фокусировки11

Рис. 50. Механизм передачивыходной мощности

Рис. 51. Механизм ручнойфокусировки

Фото 19. Блок фокусировки, содержащий механизм постоянноймеханической ручной фокусировки

Кольцо фокусировки

Кольцо 2 Кольцо 1

Блок USMРотор

Статор

Фокусирующая группа линз

Переключатель фокусировки

Колесико

Кулачковый тубус

Блок фокусировки

Выходное кольцо

Колесико

1-е кольцо

2-е кольцо

Выходное кольцо

Направление вращения1-го кольца

Направление вращенияколесикаНаправление вращения

выходного кольца

В действующей конструкции EMD (рис. 48) используетсяшаговый двигатель и шестеренка для управления вращениемкольца, сцепленного с лепестками диафрагмы. В шаговомдвигателе деформации, который является источникомдвижения, используются силы отталкивания и притяжениямагнитов, прикрепленных к статору и ротору, которыерасположены, как показано на рис. 49, для поворота роторана один шаг при каждом электрическом импульсе. Когдасигнал управления диафрагмой поступает из фотокамеры вобъектив, микрокомпьютер, встроенный в объектив,преобразует сигнал в соответствующее число импульсов иосуществляет цифровое управление для точной установкитребуемого диаметра диафрагмы. Таким образом, управлениедиафрагмой в объективах EF, оснащенных EMD, полностьюосуществляется внутри самого объектива после полученияэлектрического управляющего сигнала от камеры.Преимущества этой системы учитывают бурное развитие вбудущем и уже позволили компании Canon разработатьпервые в мире объективы с наклоном и сдвигом (объективыTS-E), оборудованные автоматической диафрагмой, а такжеиспользовать объективы EF в другом оборудовании, такомкак видеокамера Canon XL2 со сменными объективами. Впоследних моделях EMD используется диафрагма, у которойформа лепестков оптимизирована для достижениянаилучшего эффекта размытия.

Система EOS была построена для обеспечения полностьюавтоматической съемки, но одновременно она оставляет вруках фотографа возможность окончательного управлениявсеми элементами, которые определяют его представленияоб изображении. Она создана на основе фундаментальнойконцепции, которая состоит в том, чтобы выполнятьавтоматизацию в соответствии с пожеланиями фотографа.Эта концепция отражается также и на работе объективов EF:функция постоянной ручной фокусировки позволяетвыполнять окончательную регулировку фокуса послеавтоматической фокусировки.V Постоянная механическая ручная фокусировкаЭта функция позволяет фотографу выполнять ручнуюфокусировку объектива сразу после завершения работыавтофокусировки одного кадра, не переводя переключатель

режима фокусировки в положение ручной фокусировки. Вобъективе EF 85mm f/1.2L USM и других ранних моделях EF дляпостоянной ручной фокусировки изначально использовалсяметод электронной фокусировки, но сегодня почти во всехобъективах с USM, таких как EF 24-85mm f/3.5-4.5 USM, EF16-35mm f/2.8L USM и EF 300mm f/2.8L IS USM, используетсямеханическая система, оснащенных кольцом ручнойфокусировки и шкалой расстояний.Этот механизм постоянной механической ручной фокусировкиотносится к типу дифференциальных механизмов, содержащихтри кольца и ролик, встроенный в одно из колец. Описаниеконструкции приведено ниже.Кольцо 1 поворачивается вокруг оптической оси с помощьюUSM, кольцо 2 поворачивается вокруг оптической оси вручную.Ролик располагается между кольцами 1 и 2, и его ось вращениязакреплена на выходном кольце.Вращение кольца 1 или 2 в режиме автофокусировки или ручнойфокусировки приводит к движению ролика вокруг оптическойоси, вызванному вращением любого из колец. Так как осьвращения ролика закреплена на выходном кольце, движениеролика, в свою очередь, приводит к вращению выходного кольца,заставляя выходное кольцо поворачиваться вокруг оптическойоси. Вращение выходного кольца передается на геликоид иликулачковый механизм, перемещая фокусирующую группу.Постоянная ручная фокусировка также реализована вобъективе EF 50mm f/1.4 USM, который оснащен Micro USM,благодаря дифференциальному механизму, встроенному в блокпередачи.

184

Управляемая микрокомпьютеромэлектронная предварительная

фокусировка12Рис. 52. Съемка с предварительной фокусировкой

Предварительная фокусировка

Съемка другого кадра

Воспроизведение положения фокусировки

Фото 20. Блок управления предварительной фокусировкойобъектива EF 300mm f/2.8L IS USM

Функция остановкиавтофокусировки: временноеотключение автофокусировки

13

Шкалафоку-сировки

Фокусирующая линза

010Запись значения 3

010Переход к значению 8

010Возврат к значению 3

Шкалафоку-сировки

Фокусирующая линза

010Запись значения 3

010Переход к значению 8

010Возврат к значению 3

Шкалафоку-сировки

Фокусирующая линза

010Запись значения 3

010Переход к значению 8

010Возврат к значению 3

Кольцо фокусировки Окошко шкалы расстояний

Панель переключателей

Переключатель предварительной установки фокусаКнопка предварительнойустановки фокуса

Кольцо воспроизведения

Кнопка остановкиавтофокусировки

Предварительная установка фокуса – это функция,представленная в настоящее время в четырех супер-телеобъективах (EF 300mm f/2.8L IS USM, EF 400mm f/2.8L ISUSM, EF 500mm f/4L IS USM и EF 600mm f/4L IS USM), котораяэлектронным способом запоминает положение произвольновыбранного фокуса и позволяет фотографу при необходимостимгновенно установить объектив в это положениие фокуса. При

нажатии переключателя предварительной установки на панелипереключателей микрокомпьютер, встроенный в объектив,запоминает текущее положение фокусировки объектива. На этомэтапе можно выполнять автофокусировку, как обычно. Затем, влюбой необходимый момент, при повороте кольцавоспроизведения объектив переходит в сохраненное в памятиположение фокусировки за 0,5 секунды. Эту функцию можноэффективно использовать в следующих ситуациях:a Частая фотосъемка с определенного фиксированногорасстоянияПредварительная установка фокуса удобна при съемкеспортивных соревнований, когда большинство фотографийснимается с определенного расстояния, а обычнаяавтофокусировка используется время от времени, или наоборот,когда чаще всего используется обычная автофокусировка, ноиногда требуется снять фотографию с определенногофиксированного расстояния. Выполнив предварительнуюустановку фокуса, не требуется изменять фокусировку объективав это положение для каждого снимка. Более того, благодаря томучто микрокомпьютер объектива запомнил положение фокуса,восстановление предварительно установленной фокусировкиможно выполнять даже в том случае, когда объект не попадает врамку автофокусировки видоискателя.b Запоминание «бесконечности»При частой съемке фотографий на расстоянии съемки«бесконечность» удобство можно значительно повысить,используя для фокусировки объектива для каждого снимкафункцию предварительной установки фокуса, а не ручную илиавтоматическую фокусировку. (Вследствие колебанийтемпературы положение бесконечности супертелеобъективовустанавливается с некоторым отклонением или «дрейфом».Поэтому положение фокуса, установленное при повороте кольцаручной фокусировки до упора в направлении бесконечности, вдействительности не соответствует бесконечности.)c Минимизация потерь времени, вызванных неправильнойавтофокусировкойВо время автофокусировки AI Servo объектив может значительноотклоняться от фокуса, если на пути между объективом иобъектом появляется препятствие. Установив положениепредварительной фокусировки на расстояние, которое обычнозанимает главный объект, можно использовать кольцовоспроизведения в любой момент для быстрого восстановленияфокуса объектива на обычное расстояние до объекта,минимизируя затраты времени на перефокусировку.

Функция остановки автофокусировки применяется в объективеEF 300mm f/2.8L IS USM и других супертелеобъективах типа Lсерии IS с большой апертурой.Она позволяет фотографу временно отключитьавтофокусировку, когда при автофокусировке в режиме AI Servoмежду камерой и объектом проходит препятствие, поэтомуобъект останется в фокусе и не произойдет переключениефокуса с объекта на препятствие. Кнопки остановкиавтофокусировки находятся в четырех положениях вокруг кольцав передней части объектива, которое используется дляудержания объектива при съемке с руки. При нажатии на кнопкуAF Stop автофокусировка временно отключается, а приотпускании – вновь включается.

185

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Прорыв в технологии объективов:Image Stabilizer (стабилизатор

изображения)15

Превосходные пылезащитные и каплезащитные

конструкции выдерживают даже в самых

суровых условиях съемки.14

Рис. 53. Принцип стабилизации изображения (Image Stabilizer)параллельным перемещением.

Фото 21. Гироскопичекий датчик для определениясотрясений

Группа линз IS

Группа линз IS сдвигается вниз

Скорректированные световые лучи

Сотрясение камеры

Фокальная плоскость

Направлениек объекту

1. Объектив при отсутствии сотрясения

2. Сотрясение камеры

3. Компенсация сотрясения камеры

Супертелеобъектив EF 300mm f/2.8L IS USM, объектив EF 24-70mm f/2.8L USM и другие зум-объективы серии Lсконструированы так, чтобы их можно было использовать всуровых условиях профессиональной фотосъемки, и содержатпылезащитные и каплезащитные муфты на внешних частях.a Промежуток между объективом и камерой в месте креплениязакрывается резиновым кольцом.b Подвижные кольца ручной фокусировки, зумирования ивоспроизведения имеют пылезащитную и каплезащитную форму.Пылезащитная и каплезащитная конструкция такжеиспользуется в зум-удлинении объектива EF 24-70mm f/2.8L USM.c Кнопки отключения автофокусировки и предварительнойфокусировки отличаются пылезащитной и каплезащитнойконстукцией.d В разъемах панели переключателей и других внешних частейиспользуются пылезащитные и каплезащитные резиновыематериалы.e В отверстия для заднего держателя вставного фильтрау с т а н о в л е н ыр е з и н о в ы ез а г л у ш к и ,к о т о р ы ез а к р ы в а ю тп р о м е ж у т о кмежду корпусомобъектива ид е р ж а т е л е мв с т а в н о г офильтра и непропускают капливоды и частицыпыли.

Основная причина смазанных изображений – сотрясениекамеры, особенно при использовании телеобъективов. Обычно,установив выдержку затвора не более чем величина, обратнопропорциональная фокусному расстоянию объектива (например,1/300 с для объектива с фокусным расстоянием 300 мм), можнопредотвратить смазывание изображения, вызванноесотрясением камеры. Однако в условиях недостаточногоосвещения или при использовании низкочувствительной пленкинеобходимо использовать более длительную выдержку, чтоприводит к смазыванию изображений при съемке с рук. Дляразрешения этой проблемы компания Canon разработала ImageStabilizer (IS – стабилизатор изображения).W Как работает Image Stabilizer (стабилизатор изображения)Image Stabilizer (IS – стабилизатор изображения) сдвигает группулинз параллельно фокальной плоскости.В результате толчков объектива, вызванных сотрясениямикамеры, лучи света от объекта наклоняются относительно

оптической оси, приводя к смазыванию изображения. Присмещении объектива от центра лучи света отклоняются. Сдвигаягруппу линз IS в плоскости, перпендикулярной оптической оси, всоответствии со степенью сотрясения изображения, можностабилизировать лучи света в фокальной плоскости.На рис. 53 показано, что происходит при толчке объектива вниз.Центр изображения перемещается вниз в фокальной плоскости.Когда группа линз IS смещается в вертикальной плоскости, лучисвета отклоняются так, чтобы вернуть центр изображения вцентр фокальной плоскости. Так как сотрясения камерыпроисходят и в вертикальной и в горизонтальной плоскости,группа линз IS может сдвигаться вертикально и горизонтально вплоскости, перпендикулярной оптической оси, для компенсациисотрясений изображения.Сотрясения камеры определяются двумя гироскопическимидатчиками (по одному для горизонтальной и вертикальнойплоскости). Как показано на фото 21, гироскопические датчикиопределяют угол и скорость смещения камеры, вызванногоручной съемкой. Для предотвращения выходных ошибок датчика,вызванных перемещением зеркала или затвора,гироскопические датчики в объективе защищены корпусом.

В камерах EOS-1V/HS, EOS-1Ds Mark II, EOS-1Ds, EOS-1D Mark II N, EOS-1D Mark II и EOS-1D используютсяпылезащитные и каплезащитные корпуса.

186

Фото 22. Блок Image Stabilizer (стабилизатор изображения)

Рис. 54. Система Image Stabilizer (стабилизатор изображения) объектива EF 70-200mm f/2.8L IS USM

Механизм блокировки компенсирующей оптики

Магнит

IRED

Оправа компенсирующей оптики

Палец фиксации оправы компенсирующей оптики

Магнит

Направляющая ось

Печатная плата

Палец фиксации оправы компенсирующей оптики

Обойма (магнитная пластинка)

Движение компенсирующей оптики

PSD

Магнит

Обойма

Магнит

Компенсирующая оптика

PSD

IRED

Группа линз IS приводится в движение непосредственноподвижной катушкой. Она представляет собой небольшую,легкую катушку с высоким быстродействием изамечательной управляемостью. Она может работать вшироком диапазоне частот (приблизительно от 0,5 Гц до 20Гц). Положение группы линз IS определяется с помощью IRED(инфракрасных светодиодов) на тубусе группы линз IS и PSD(датчиков положения) на печатной плате. Для точнойрегулировки используется управление с обратной связью. Вблоке IS также содержится механизм блокировки, которыйфиксирует группу линз IS в центральном положении привыключении функции IS или камеры (рис. 54).

W Система стабилизации изображения (Image Stabilizer)

Image Stabilizer (стабилизатор изображения) работаетследующим образом.a Когда кнопка спуска затвора камеры нажимаетсянаполовину, блокировка оптической системы стабилизатораотпускается и одновременно запускаются гироскопическиедатчики вибраций.b Гироскопические датчики вибраций определяюткомпоненту угловой скорости движения объектива,вызванного дрожанием рук, и передают полученный сигнал вмикрокомпьютер.c Обнаруженный сигнал преобразуется микрокомпьютеромв сигнал перемещения оптической системы стабилизатора,который затем передается на схему привода оптическойсистемы стабилизатора.d В ответ на сигнал управления привод оптической системыстабилизатора выполняет параллельное перемещениесистемы.e Состояние привода оптической системы стабилизаторапреобразуется в сигнал обнаружения с помощью датчикаположения и схемы обнаружения, установленных в блокестабилизатора изображения (Image Stabilizer). Затем этотсигнал передается в микрокомпьютер.

f Микрокомпьютер сравнивает сигнал перемещения,полученный на шаге 3, с сигналом обнаружения, полученнымна шаге 5, и выполняет управление с обратной связью,повышая тем самым управляемость оптической системыстабилизатора. Этот микрокомпьютер, первыйвысокоскоростной 16-разрядный компьютер в объективах EF,может одновременно управлять стабилизацией изображения,двигателями USM и EMD. (рис. 56.)

W Режим 2 Image Stabilizer (стабилизатор изображения)

Описанные выше характеристики стабилизатораизображения (Image Stabilizer) настроены таким образом, чтоон наиболее эффективен при съемке неподвижных объектов,но при попытке панорамирования движущегося объектасистема компенсации сотрясений может повлиять наизображение в видоискателе, мешая выполнятькадрирование. Это происходит потому, что движение камерыпри панорамировании воспринимается как сотрясение, чтоприводит к включению стабилизатора изображения (ImageStabilizer).

187

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Рис. 55. Управление стабилизацией в режиме 2 Image Stabilizer(стабилизатор изображения)

Рис. 56. Схема процесса работы системы Image Stabilizer(стабилизатор изображения)

Рис. 57. График эффективности Image Stabilizer (стабилизаторизображения) для объектива EF 70-200mm f/2.8L IS USM

1/100 1/200 (с)1/25

(%)100

50

01/501/13

Image Stabilizer (стабилизатор изображения) выключен

Image Stabilizer (стабилизатор изображения) включен

Приблизительно на 3 ступени

При 200 м

Выдержка затвораП

оказатель резкости изобр

ажения

1. Горизонтальное движение камеры

2. Вертикальное движение камеры

Движение камеры

(Стабилизация изображения

остановлена.)

Движение камеры

(Стабилизация

изображения

остановлена.)

Направление стабилизации

изображения

Направление стабилизации

изображения

Для решения этой проблемы компания Canon разработаларежим 2 Image Stabilizer (стабилизатор изображения). В этомрежиме, если движение, например панорамирование,продолжается определенное время, стабилизацияизображения в направлении движения отключается. Так какпри этом изображение в видоискателе стабилизируется вовремя движения, становится возможным точноекадрирование. В режиме 2 Image Stabilizer (стабилизаторизображения) при выполнении панорамирования сохраняетсястабилизация изображения в вертикальном направленииотносительно движения камеры, что позволяеткомпенсировать вертикальные сотрясения во времяпанорамирования. (рис. 55.)Режим 2 Image Stabilizer (стабилизатор изображения) былвпервые представлен в объективе EF 300mm f/4L IS USM. Стех пор он устанавливается и в другие объективы, в основномв телеобъективы и зум-телеобъективы.

W Image Stabilizer (стабилизатор изображения),совместимый со штативом

Когда первые объективы IS использовались со штативом,стабилизатор изображения (Image Stabilizer) работалнеправильно, заставляя фотографа отключать функциюстабилизации изображения (Image Stabilizer). Однако объективEF 300mm f/2.8L IS USM и другие новые моделисупертелеобъективов типа L серии IS оснащеныстабилизатором изображения (Image Stabilizer), которыйдопускает работу со штативом и предотвращает неправильноесрабатывание. Так как с помощью гироскопических датчиковвибрации система автоматически определяет, когда камераустановлена на штатив, фотограф может сконцентрироватьсяна съемке, не беспокоясь о включении и выключениистабилизатора. А когда с каким-либо объективом серии ISиспользуется штатив с одной опорой, стабилизацияизображения работает так же, как и при съемке с рук.

W Результат стабилизации изображения

Впервые функция стабилизации изображения дляобъективов EF была использована в 1995 году в объективеEF 75-300mm f/4-5.6 IS USM. При переводе в выдержкузатвора результат стабилизации изображения соответствуетприблизительно двум ступеням. С телеобъективом 300 ммона позволяет выполнять съемку с рук при выдержке 1/60секунды. Позже, с развитием конструкции блокастабилизации изображения (Image Stabilizer) и используемыхалгоритмов, качество резльтата еще больше возросло: дотрех ступеней с объективом EF 70-200mm f/2.8L IS USM,который поступил в продажу в 2001 году, и до 4 ступеней собъективом EF 70-200mm f/4L IS USM, выпущенным в 2006году. Таким образом, верхний предел выдержки затвора при

съемке с рук был значительно повышен.Когда установлен экстендер и режим 2 Image Stabilizer (стабилизатор изображения)включен, он обеспечивает такие же результатыстабилизации изображения. Функция стабилизацииизображения (Image Stabilizer) также эффективна присъемке крупным планом и съемке в движении.Функция стабилизации изображения (Image Stabilizer),которая дает фотографам столько преимуществ,будет устанавливаться на многие объективы EF истанет стандартной функцией технологии объективовEF, включая дальнейший рост использования в ещебольшем числе объективов в будущем.

Микрокомпьютер

Камера

Блок Image Stabilizer (стабилизатор изображения)

Контурпривода USM

Контурпривода EMD

Гироскопический датчиксотрясения (в горизон-тальной плоскости)

Гироскопический датчиксотрясения (в верти-кальной плоскости)

Переключательрежимов IS

Переключатель ON/OFF

Информация об экстендере

Контур привода блоки-ровки/центрирования

группы линз IS

Контур приводагруппы линз IS

Контур обнаруженияположения группы

линз IS

Исполнительный механизм блокиров-ки группы линз IS

Исполнительныймеханизм приво-да группы линз IS

Датчик положениягруппы линз IS

Дифракционные оптические элементы, как следует из ихназвания, используют явление дифракции. Они привлеклибольшое внимание за способность устранять хроматическиеаберрации лучше, чем флюоритовые линзы или линзы изстекла UD, несмотря на свою асимметричную форму. Тем неменее, встраивание таких элементов в фотообъективы былозатруднено, в основном из-за проблем дифракционных бликов.Компания Canon решила эту проблему, разработав такназываемую линзу DO, имеющую уникальную структуру, и ставпервым в мире производителем объективов, который встроилэту линзу в фотообъектив. Первая модель объектива сиспользованием этой линзы, EF 400mm f/4 DO IS USM, –является супертелеобъективом, в котором компактность ималый вес сочетаются с выдающимся качеством изображения.

W Дифракция

Это явление, при котором световые волны попадают в теньобъекта после прохождения рядом с краем этого объекта. Дифракционный бликявляется общимдифракционнымявлением инаблюдается вфотообъективах прималом диаметредиафрагмы. Этоявление – следствиеволновой природысвета.П о с к о л ь к удифракционные бликипредставляют собойд е й с т в и т е л ь н он е ж е л а т е л ь н ы есветовые лучи, которыеухудшают качествоизображения проходяза диафрагму, то этотже принцип можноиспользовать дляу п р а в л е н и янаправлением лучейсвета.Например, припрохождении светачерез две щели,расположенные оченьблизко друг к другу,возникают блики такогоже типа, что и прии с п о л ь з о в а н и ималенькой диафрагмы. В этом случае, как показано на рисункевнизу, существует определенное направление, вдоль которогосветовые волны распространяются легче. Направление, вкотором волны распространяются более интенсивно, – этонаправление, при котором совпадают фазы световых волн,рассеянных на двух щелях. Поэтому световые волныраспространяются, взаимно усиливая друг друга в несколькихнаправлениях: в одном направлении они сдвигаются на один

188

Новые возможности оптических систем:

Линза DO (многослойный дифракционный

оптический элемент)16

Фото 23. Линза DO

период и накладываются, в другом направлении онисдвигаются на два периода и накладываются и т.д.Направление, в котором волны сдвигаются на один период (наодну длину волны) и накладываются, называется первичнойдифракцией, а эта конструкция со щелями называетсядифракционной решеткой. Особенности дифракционнойрешетки:a При изменении расстояния между щелями (периодарешетки) изменяется направление дифракции.b Чем больше порядок дифракции, тем больше степеньдифракции («угол дифракции»).c Свет с большими длинами волн отклоняется на большийугол дифракции.W Однослойные дифракционные оптические элементы

Поскольку щелевые дифракционные решетки (дифракционныерешетки амплитудного типа) перекрывают свет дляформирования дифракции света, они не могут использоваться воптических системах. Были предложены дифракционныерешетки фазового типа, в которых решетка имела быпилообразную форму и не преграждала путь свету. Дифракциясоздавалась бы с помощью дифракционной решетки в формеконцентрических окружностей, как с помощью линзы Френеля.Из-за частичного изменения периода решетки (шага решетки),можно было бы достичь эффекта, идентичного действиюасферической линзы, позволяя решать различные проблемы, втом числе исправлять сферические аберрации.Как указано выше, угол дифракции света, выходящего издифракционной решетки, увеличивается при больших длинахволн. Другими словами, свет с большей длиной волны создаетизображение ближе к дифракционной решетке, в то время каксвет с более короткой длиной волны создает изображениедальше от нее. В противоположность этому, при прохождениичерез преломляющую линзу (выпуклую линзу) с положительнойоптической силой, свет с более короткой длиной волны создаетизображение ближе к линзе, в то время как свет с большейдлиной волны создает изображение дальше от нее. Этоозначает, что хроматические аберрации преломляющей линзы идифракционного оптического элемента расположены вобратном порядке. Если их объединить, они могут взаимнонейтрализовать и эффективно корректировать хроматическиеаберрации. В отличие от предыдущих методов компенсациихроматических аберраций, в которых сочетались собирающие ирассеивающие линзы, в новом методе используется толькособирающая линза, что позволяет снизить оптическую силукаждой группы линз в объективе и, следовательно, болееэффективно исправлять другие аберрации помимохроматической.

Рис. 58. Дифракция

Рис. 59. Принцип формированиядифракции света

Первичнаядифракция света

Длина волны световых лучей

Зона блокирования прохождения света

Падающий свет

Шаг решетки

Уголдифракции

Свет, проходящийсквозь щель

Щель (маленькаядиафрагма и т.п.)

Длина волны

Зона блокирования прохождения света(лепесток диафрагмы и т.п.)

Падающий свет

189

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Рис. 60. Конструкция линзы DO (иллюстрация) Фото 24. С установленной линзой DO

Рис. 61. Принцип коррекции хроматической аберрации с помощьюлинзы DO

Рис. 62. Разница в дифракции света на однослойном дифракционномоптическом элементе и на линзе DO

Падающий свет(белый свет)

Однослойный дифракционный оптический элемент Линза DO

Почти весьпадающий светиспользуется дляформирования фотографического изображения

Дифракционныепучки, непри-годные дляформирования фотографи-ческого изображения

Дифракционные пучки, используемые для формирования фотографического изображенияДифракционные пучки, вызывающие блики

Обычный преломляющий оптический элемент

Линза DO

Комбинация преломляющего оптического элемента и линзы DO

Изображение, формируемое синими, зелеными и красными

лучами в указанном порядке

Изображение, формируемое красными,

зелеными и синимилучами в указанном

порядке

Хроматическая аберрациянейтрализована

Обратная хроматическаяаберрация по сравнению

с преломляющимоптическим элементом

Хроматическаяаберрация

W Разработка линз DOОднослойные дифрационные оптические элементы, хотя ииспользуются в оптических устройствах считывания дляпроигрывателей CD и DVD, в которых применяются лазеры, непригодны для фотографических объективов. Это вызвано тем,что, в отличие от лазерного света, свет в фотографическихобъективах (видимая область) состоит из большого числа волнразличной длины. Для использования дифракционногооптического элемента в фотообъективе весь свет, попадающийв объектив, должен на 100% дифрагировать. Линза DO с ее

многослойной дифракционной структурой разрабатывалась какметод преобразования всех диапазонов видимого света вфотографический свет. В случае объектива EF 400mm f/4 DO ISUSM линза DO содержит два однослойных дифракционныхоптических элемента с концентрическими круговымидифракционными решетками, которые обращены друг к другу(рис. 62). Так как свет, входящий в линзу, не формируетнежелательных дифракционных лучей, линза DO используетпочти весь свет как фотографический свет, что позволяетиспользовать ее в фотообъективах. Реальная линза DOизготавливается из стеклянной сферической линзы, адифракционная решетка формируется в шаблоне изспециального пластика. Толщина дифракционной решеткисоставляет всего несколько микрон, а период решеткипостепенно изменяется от нескольких миллиметров донескольких десятков микрон. Для формирования этойдифракционной решетки период дифракционной решетки,высота и позиционирование должны контролироваться спогрешностью не более микрона. Для достижения такойточности использовались различные технологии, в том числетехнология трехмерной микрообработки сверхвысокойточности, разработанная специально для этих целей, а такжетехнология производства опорных асферических линз,развитая при разработке объективов EF, технологиясверхточного позиционирования и многие другие.

W Создание более компактных объективовИспользуя объектив EF 400mm f/4 DO IS USM в качествепримера, рассмотрим процесс уменьшения размеровтелеобъектива за счет применения линз DO.При использовании дифракционных оптических элементовизображения с длиной волны 400 нм, 500 нм и 600 нмформируются на одинаковых расстояниях друг от друга вдольоптической оси. Однако при использовании преломляющихоптических элементов изображения с этими же длинами волнформируются на разных расстояниях друг от друга, так какоптическое стекло обладает нелинейными характеристикамидисперсии. Соответственно, для максимальной компенсациихроматических аберраций с использованием линзы DOиспользовались следующие методы.На рис. 63-a показан объектив 400mm f/4, разработанныйс использованием только обычных преломляющих

Дифрак-ционнаярешетка

Стекляннаялинза

Дифракционная решетка

Двухслойная линза DO Трехслойная линза DO

Стеклянная линза

Поперечный разрезВид спереди

190

Рис. 63. Принцип уменьшения оптики с использованиемдифракционной линзы

Рис. 64. Компактный объектив с фиксированным фокуснымрасстоянием благодаря использованию дифракционной линзы

Рис. 65. Компактный зум-объектив с использованиемдифракционной линзы

99,9 мм

EF 70-300mm f/4-5.6 IS USM

Трехслойная линза DOАсферическая линза

EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM

148,2 ммЛинза UD

Флюорит 317 мм

Двухслойная линза DO232,7 ммФлюорит

Объектив 400 мм f/4,сконструированныйисключительно на основе преломляющихоптических элементов

EF 400mm f/4 DO IS USM

2080 г

3000 г

aОбъектив 400 мм f/4, сконструированный с использованием обычных методов

bСближение линз для повышения компактности

cЗамена элементов из флюорита и стекла UD элементами из обычного стекла для перераспределения порядка хроматической аберрации.

dЗамена переднего элемента линзой DO

Возросшая хроматическая аберрация

Хроматическая аберрациянейтрализована

Защитное стекло

Линза UDФлюорит

Изображение, формируемое синими, зелеными и краснымилучами в указанном порядке

Изображение, формируемоезелеными, красными и синими лучами в указанном порядке

Линза DO

преломляющих оптических элементов. Если, как показано нарис. 63-b, оптическая сила каждой линзы возрастает илинзы располагаются ближе друг к другу для создания болеекомпактного объектива, то хроматические аберрации (в особенности для синего света) ухудшаются в значительнойстепени. Это означает, что для компенсации хроматическойаберрации использования элемента дифракционной оптикине достаточно. Поэтому, как показано на рис. 63-c, дисперсия каждого элемента объектива былаоптимизирована таким образом, чтобы выровнять величинухроматической аберрации по длинам волн. Наконец, какпоказано на рис. 63-d, для завершения исправленияхроматической аберрации линза DO с соответствующейоптической силой была помещена перед передней линзойобъектива. Таким образом, по сравнению с оптическимисистемами, содержащими только обычные преломляющиеоптические элементы, в объективе EF 400mm f/4 DO IS USMна 27% сокращена длина (317 мм → 232,7 мм) и на 31%снижен вес (3000 г → 2080 г), что превращает его вдействительно компактный легкий объектив (Рис. 64).W Улучшенное качество изображенияТак как линза DO, раположенная в передней группе, почтиполностью нейтрализует хроматические аберрации,формирующиеся в группе преломляющих линз, остаточныехроматические аберрации подавляются до исключительнонизкого уровня. А вследствие того, что дифракционныеоптические элементы также отличаются асферическимисвойствами, сферические аберрации также эффективноисправляются, позволяя достичь исключительного качестваизображения с высоким разрешением и контрастностью.В будущем линзы DO будут использоваться во многихобъективах EF как новые оптические элементы, которыепревосходят флюоритовые, UD и асферические линзы.W Трехслойная линза DOВ принципе, линза DO позволяет также создавать болеекомпактные зум-объективы. Однако использованиедвухслойной линзы DO, примененной в объективе

191

Технологии объективов EF

Шестнадцать технологий,используемых в объективах EFвысокого качества

Рис. 66. Отличия в дифракции на двухслойной и трехслойнойдифракционной линзах

Свет, входящий в линзу при положении телефото

Двухслойная линза DO Трехслойная линза DO

Эффективные дифракционные пучки

Эффективныедифракционные пучки

Свет, входящий в линзу приширокоугольном положении объектива

Нежелательные дифракционныепучки

Изменения угла падения вызывают возникновение

нежелательных дифракционных пучков

Нежелательные дифракционные пучки света не возникают даже в случае

изменения угла падения

EF 400mm f/4 DO IS USM, в зум-объективах затрудняетсяследующими причинами.В объективах с фиксированным фокусным расстоянием,таких как EF 400mm f/4 DO IS USM, свет входит в объектив, восновном, под определенным углом (угол падения). В зум-объективах, однако, угол зрения изменяется при изменениифокусного расстояния, поэтому угол падения такжеподвергается значительному изменению. При использованииобычных линз DO изменение угла падения привело бы кформированию дифракционных пучков света, которые непригодны для формирования фотографии, вызывают блики изначительно снижают качество фотографии. Дли решенияэтой проблемы компания Canon разработала трехслойныелинзы DO, новый тип линз DO с тремя дифракционнымирешетками, расположенными на оптической оси, которыемогут компенсировать изменения фокусного расстояния.При использовании трех слоев дифракционных решетокдифракционные пучки не возникают даже при измененииугла входа света в линзу DO, поэтому практически весьпадающий свет можно использовать для формированияфотографического изображения (рис. 66).Трехслойная линза DO была впервые применена в объективеEF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM. Ниже приведено описаниепроцесса, с помощью которого удалось изготовить этоткомпактный объектив. a Преломление каждой линзы в базовой оптической схемеобъектива (EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM) было увеличено, арасстояние между отдельными линзами было сокращено.b Хроматические и сферические аберрации, которыеухудшились при уменьшении объектива, одновременно былискомпенсированы трехслойной линзой DO, расположеннойперед передней линзой.В результате объектив EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM стална 30% короче (142,8 мм→99,9 мм), чем обычный объективEF 75-300mm f/4-5.6 IS USM (рис. 65), в которомиспользовались только преломляющие оптические элементы;в нем скомпенсированы все остаточные хроматические исферические аберрации и достигнуто высокое качествоизображения, сравнимое с качеством объективов типа L.

EF LENS WORK # Глаза EOS

Сентябрь 2006 г., восьмая редакция

Публикация и планирование Canon Inc. Lens Products GroupИзготовление и редакция Canon Inc. Lens Products GroupПечать Nikko Graphic Arts Co., Ltd.Благодарим за сотрудничество: Brasserie Le Solferino/Restaurant de la Maison Fouraise,

Chatou/ Hippodrome de Marseille Borely/Cyrille VaretCreations, Paris/Jean Pavie, artisan luthier,Paris/Participation de la Mairie de Paris/Jean-MichelOTHONIEL, sculpteur

© Canon Inc., 2003 г.

Изделия и характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления.Фотографии, содержащиеся в этой книге, являются собственностью корпорации Canon Inc.или использованы с разрешения фотографа.

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