Lentes de fluorita: correção de aberração cromática além dos limites do vidro óptico comum
(global.canon)- A Canon produz fluorita à base de fluorita mineral como cristais artificiais de alta pureza e a utiliza como material de lente para corrigir aberração cromática, algo difícil de reduzir apenas com vidro óptico comum
- A aberração cromática é o fenômeno em que o foco se desloca para cada cor devido à diferença de refração por comprimento de onda, e é difícil eliminar completamente a aberração cromática residual apenas com a combinação de lentes côncavas e convexas de vidro
- A fluorita tem baixo índice de refração, baixa dispersão e dispersão parcial anômala, o que amplia o efeito de correção da aberração cromática residual quando combinada com uma lente côncava de vidro de alta dispersão
- A Canon iniciou o F Project em agosto de 1966, criou em 1968 grandes cristais artificiais para lentes de câmera e lançou a FL-F300mm f/5.6 em maio de 1969
- As lentes de fluorita são usadas para aumentar nitidez e contraste em fotografia superteleobjetiva e, em maio de 2021, a Canon já havia produzido mais 39 lentes com elementos de fluorita desde a FL-F300mm
Por que a fluorita se tornou material de lente
- Um dos materiais que sustentam a alta qualidade de imagem das lentes Canon é a fluorita, que é a forma cristalina do fluoreto de cálcio
- Quando usada junto com lentes de vidro, ela pode reduzir a aberração cromática a um nível muito baixo
- A fluorita natural era pequena demais, sendo adequada apenas para equipamentos ópticos compactos, como objetivas de microscópio
- Para aplicá-la a lentes fotográficas, a Canon desenvolveu tecnologia para produzir cristais artificiais de fluorita grandes e de alta pureza usando minério de fluorita como matéria-prima
- A FL-F300mm f/5.6, lançada em maio de 1969, foi a primeira lente teleobjetiva de consumo do mundo a usar um elemento de lente de fluorita
Aberração cromática e princípio de correção
- A aberração cromática pode aparecer como franjas coloridas no contorno do assunto ou como perda geral de nitidez na imagem
- Quando a luz atravessa a superfície do vidro, luzes de diferentes comprimentos de onda, como vermelho, verde e azul, são refratadas em ângulos diferentes, e a posição de foco muda para cada cor
- Em geral, a aberração cromática é corrigida com a combinação de lentes côncavas e convexas que refratam a luz em direções opostas
- Porém, só com vidro óptico comum não é possível eliminar a aberração cromática em todos os comprimentos de onda, então permanece uma aberração cromática residual em certos comprimentos de onda
- Como cada tipo de vidro óptico tem índices de refração diferentes por comprimento de onda, há limites para reduzir a aberração cromática residual apenas com combinações e características do vidro
Propriedades ópticas da fluorita
- A fluorita é um material fundamentalmente diferente do vidro óptico tradicional, e por isso corrige a aberração cromática com mais eficiência quando combinada com vidro
- O efeito é especialmente grande em lentes teleobjetivas, nas quais a maior distância focal aumenta a aberração cromática
- Os elementos de lente de fluorita da Canon usam fluorita natural como matéria-prima e têm baixo índice de refração e baixa dispersão, características difíceis de obter com lentes de vidro
- A fluorita apresenta uma tendência única de dispersão parcial anômala
- Do vermelho ao verde, a dispersão segue tendência semelhante à do vidro
- Do verde ao azul, a dispersão é maior do que no vidro
- Ao usar juntos um elemento convexo de fluorita e um elemento côncavo de vidro de alta dispersão, é possível eliminar a aberração cromática residual e produzir imagens nítidas e de alta qualidade
Diferença entre refração e dispersão
- Refração é o fenômeno em que a direção da luz muda ao atravessar a superfície de um material como o vidro
- O grau dessa mudança de direção é chamado de índice de refração
- Como o índice de refração varia de acordo com a composição de cor da luz, ou seja, com o comprimento de onda, cada cor se curva em uma direção diferente
- Esse fenômeno é a dispersão cromática
- No vidro óptico, a dispersão ocorre em proporção constante independentemente do comprimento de onda, mas na fluorita a proporção de dispersão varia conforme o comprimento de onda, o que é chamado de dispersão parcial anômala
Canon F Project e produção de cristais artificiais
- A origem das lentes de fluorita está no Canon F Project, iniciado em agosto de 1966
- Os desenvolvedores de lentes da Canon concluíram que, para criar uma lente superior às existentes, primeiro seria preciso criar um novo material
- O principal desafio na produção de cristais artificiais de fluorita era a cristalização
- Vidro é um termo que descreve um estado da matéria: como é amorfo, seus átomos ficam fixos em posições aleatórias e, ao ser fundido, pode ser moldado em outras formas
- Já a fluorita é um material cristalino, então seus átomos precisam formar um arranjo específico para que ocorra a cristalização
- Depois de triturar e purificar a fluorita natural, restaurar com precisão sua estrutura atômica e recristalizá-la em tamanho suficiente para uso em lentes de câmera era algo próximo do impossível
- Os desenvolvedores precisaram garantir um ambiente de vácuo com controle preciso, mantendo pelo menos 1.000°C, e projetaram equipamentos para produção artificial de cristais grandes e de alta pureza
- Dois anos após o início do F Project, em 1968, a Canon conseguiu produzir cristais artificiais de fluorita grandes o bastante para uso em lentes de câmera
Polimento e comercialização
- Outro desafio na produção de lentes de fluorita era o polimento
- A fluorita é mais macia e delicada que o vidro, então os métodos usados para polir vidro não serviam
- A Canon desenvolveu uma técnica de polimento específica para fluorita que exigia até 4 vezes mais tempo do que o necessário para vidro óptico comum
- Essa tecnologia foi comercializada em maio de 1969
- A FL-F300mm f/5.6, primeiro produto com elemento de lente de fluorita, foi muito elogiada por suas imagens vívidas e de alto contraste, sendo amplamente usada em áreas profissionais como o fotojornalismo
- Depois disso, melhorias em vácuo de alta temperatura, controle térmico e polimento permitiram aplicar elementos de fluorita em mais lentes
Processo de produção de lentes de fluorita
- Matéria-prima: a matéria-prima das lentes de fluorita é minério natural de fluorita
- Trituração e purificação: a fluorita bruta é triturada, as impurezas são removidas e o material é colocado em um cadinho de grafite, que não derrete com facilidade
- Cristalização: o cadinho é colocado em um equipamento de crescimento de cristais com aquecedor superior e aquecido a 1.400°C
- Depois que a fluorita derrete, o cadinho é baixado lentamente para que a cristalização avance a partir do fundo
- Recozimento: processo para remover deformações internas do cristal
- O cristal é aquecido a uma temperatura alta que não o derreta e depois resfriado lentamente até a temperatura ambiente ao longo de várias semanas, removendo deformações que poderiam causar rachaduras
- Corte e usinagem bruta: as partes desnecessárias da superfície do cristal são cortadas, ele é usinado de forma bruta no tamanho necessário e depois é inspecionado para verificar anomalias internas
- Retífica: as superfícies superior e inferior do cristal são desbastadas em forma esférica, com aparência de vidro fosco
- Polimento: a superfície é polida com pastilhas abrasivas solidificadas até atingir um estado semitransparente e as dimensões especificadas, e depois riscos microscópicos são removidos com um polidor especial
- Deposição: em alto vácuo, entre um milionésimo e um centésimo de milionésimo da pressão atmosférica, o material de revestimento é evaporado termicamente para formar uma película fina sobre a lente polida
- Inspeção final: técnicos experientes verificam a pureza com um interferômetro, e apenas os elementos aprovados seguem para a etapa de montagem da lente
Lentes aplicadas e perfil de usuários
- Em maio de 2021, a Canon já havia produzido mais 39 lentes com elementos de fluorita desde a FL-F300mm
- Os elementos de lente de fluorita contribuem não só para corrigir aberração cromática, mas também para reduzir o tamanho e o peso do produto
- Por essa característica, são usados ativamente em grandes lentes teleobjetivas
- As lentes de fluorita são usadas por fotógrafos que exigem alta qualidade de imagem em distâncias focais superteleobjetivas
- fotógrafos profissionais de esportes
- fotojornalistas
- entusiastas que fotografam aves silvestres, trens, aeronaves etc.
- Entre as lentes lançadas em 2021 estão a RF400mm F2.8 L IS USM e a RF600mm F4 L IS USM, cada uma com 2 elementos de lente de fluorita
1 comentários
Opiniões do Hacker News
Ainda não vi um resumo de que eu gostasse, então, resumindo: o índice de refração de um material normalmente não é um único valor fixo em torno de 1,5; ele varia conforme o comprimento de onda.
Como a difração, assim como a interferência quântica, é reforçada em certas direções e cancelada em outras, o gráfico comprimento de onda–índice de refração se torna uma curva monotonicamente decrescente, meio exponencial/assintótica, indo do ultravioleta ao infravermelho.
Por isso, uma lente convexa tem ampliação maior do que o pretendido no azul, também maior no verde, fica boa no vermelho e, a rigor, só fica correta no amarelo do vapor de sódio, criando no plano focal uma imagem aberrada com cores desalinhadas.
Para corrigir isso, combinam-se lentes convexas/côncavas de composições com taxas diferentes de queda do índice de refração, como Schott BK7 e F2, de modo que o excesso de potência refrativa positiva no azul da primeira lente convexa seja cancelado pelo excesso de potência refrativa negativa no azul da lente côncava seguinte.
Ao alongar ainda mais a cadeia de lentes, é possível corrigir quantos comprimentos de onda adicionais, efeitos colaterais e outros defeitos forem desejados.
Nesse contexto, a fluorita (CaF2) é importante porque seu gráfico comprimento de onda–índice de refração apresenta uma “dispersão anômala” quase plana, reunindo as cores de praticamente todo o espectro visível quase no mesmo ponto e permitindo dispensar muitas lentes de correção.
O problema é que é difícil produzir em escala cristais de fluoreto de cálcio opticamente transparentes do tamanho necessário para câmeras, uma área em que a Canon vem trabalhando há décadas.
https://en.wikipedia.org/wiki/Folk_etymology
https://en.wiktionary.org/wiki/aberro#Latin
O problema de crescimento dos cristais foi resolvido na década de 1960 e hoje é uma tecnologia comum.
A fluorita também é usada em lentes da Fuji, e Nikon/Sony têm seus próprios vidros especiais para lidar com o mesmo problema.
O índice de refração não é um ângulo; é um valor que pode ser calculado a partir do ângulo de incidência e do ângulo de refração: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law
Além disso, o índice de refração pode depender não só do comprimento de onda, mas também da polarização da luz, o que causa birrefringência: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Birefringence
Dispersão anômala costuma ser chamada de anomalous dispersion e é o caso em que, em vez de o índice de refração diminuir conforme o comprimento de onda aumenta, como na dispersão normal, ele aumenta: https://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(optics)#Material_dispersion_in_optics
Se existisse um material sem dispersão, daria para fazer lentes só com ele e evitar a aberração cromática, mas isso não existe na prática; portanto, é preciso combinar a dispersão de materiais diferentes para que elas se anulem.
A fluorita não apresenta dispersão anômala na faixa visível; ela tem baixa dispersão.
Ao que parece, desde a década de 1960 a Canon produz em massa, com sucesso, cristais de fluoreto de cálcio em tamanhos adequados para câmeras, e outras empresas também.
Segundo https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorite, o fluoreto de cálcio é transparente nas faixas do infravermelho e do ultravioleta e tem uma variação muito pequena do índice de refração com o comprimento de onda, sendo comumente usado em laboratórios como material para janelas; Canon e outras empresas vêm usando cristais de fluoreto de cálcio crescidos sinteticamente em lentes para ajudar em designs apocromáticos e reduzir a dispersão óptica.
Além disso, sodium, fluorite, calcium e fluoride não são nomes de marca nem nomes próprios, então, em inglês, o correto é não escrevê-los com inicial maiúscula como em alemão.
Ao procurar uma explicação simples sobre por que a dispersão é importante, este artigo me ajudou: https://www.targettamers.com/guides/apochromatic-lenses/
Diferentemente das lentes acromáticas, que otimizam apenas dois comprimentos de onda, as lentes apocromáticas são otimizadas para três comprimentos de onda
Antigamente, os cálculos eram feitos à mão e, embora isso por si só não seja tão extraordinário, é surpreendente que mesmo assim tenham surgido projetos de lentes tão excelentes
Hoje, os computadores fazem otimizações muito rapidamente, mas os cálculos dependem das propriedades físicas reais dos materiais de vidro, e essas propriedades também variam junto com custo, durabilidade etc.
Portanto, o computador não otimiza livremente uma faixa contínua de índices de refração/dispersão; ele só consegue lidar com materiais reais e discretos, catalogados pelo fabricante do vidro e especificados pelo projetista no programa
O flúor também tem propriedades especiais como revestimento: https://www.digitalcameraworld.com/features/this-is-why-your-camera-lens-needs-a-fluorine-coating
A ideia é reduzir a precisão necessária na montagem, permitindo inserir os elementos no barril e despachar o produto com quase nenhuma correção
Isso é usado especialmente em lentes de kit, muito sensíveis a preço
Mesmo em filmes preto e branco pancromáticos, geralmente era satisfatório, mas em filmes coloridos a aberração cromática começava a aparecer
As lentes apocromáticas são corrigidas para azul, verde e vermelho
Também é possível fazer lentes corrigidas para um espectro mais amplo, incluindo ultravioleta e infravermelho, e a Nikon fez lentes como a UV 105mm f4.5 para usos técnicos/científicos
Há dois tipos de aberração cromática, e ambos vêm da dispersão
A aberração cromática axial ocorre quando a distância focal varia conforme o comprimento de onda, tornando impossível obter foco perfeito. Se você focar no verde, o vermelho e o azul ficam fora de foco; isso afeta a imagem inteira e é muito difícil de corrigir no pós-processamento
A aberração cromática lateral ocorre quando a ampliação varia conforme o comprimento de onda, de modo que não se forma uma única imagem própria. A imagem azul fica um pouco maior que a verde, e a verde maior que a vermelha, aparecendo como franjas de cor nas bordas e cantos mais distantes do eixo óptico. É possível corrigi-la por algoritmo redimensionando as subimagens vermelha/azul para coincidir com a verde
Já vi lentes fractais e lentes compostas bem estranhas
Lentes de fluorita são impressionantes, mas não são uma vantagem decisiva até você chegar a ampliações altas ou perto dos limites de velocidade do sistema
A diferença real aparece quando elas são combinadas com estabilização de imagem VR, obtendo um ganho de 4 stops ou mais na velocidade do obturador
Quando o assunto fica tão nítido assim, a aberração cromática se torna muito perceptível — ou não, graças à fluorita
Curiosamente, as ferramentas modernas de edição de fotos corrigem por software tanto efeitos de lente como vinheta e distorção em almofada quanto aberração cromática
Comparando com quando comecei, por volta de 1989, com uma Nikkor 70-210 f/4 e filme, as fotos que dá para fazer hoje são surpreendentes
Pessoalmente, o problema real é que há fotos boas demais a ponto de arregalar os olhos, e preciso reduzi-las a uma quantidade digerível
Talvez as crianças de hoje nem se impressionem muito, mas a enorme engenharia por trás da tecnologia fotográfica me deixa humilde
Desde que você fotografe em RAW, corrigi-la automaticamente no pós-processamento é algo trivial
Por isso elas aparecem principalmente em lentes grandes de longa distância focal, nas quais tamanho e peso realmente se tornam um problema
Tenho uma lente FD 300/2.8 S.S.C. Fluorite lançada em 1975, e ela é realmente fantástica
Mesmo totalmente aberta em f/2.8, é nítida até os cantos e excelente para astrofotografia
Com uma única exposição, dá para capturar a Nebulosa de Órion, a Nebulosa Cabeça de Cavalo e detalhes dos braços espirais da Galáxia de Andrômeda
Ela também é ótima para retratos ao ar livre e desfoca o fundo de forma cremosa, mas você fica tão longe que precisa fazer uma chamada no viva-voz para conversar com o assunto
O preço de tabela na época era 420000 ienes, equivalente a 5364 dólares em valores atuais, e eu comprei usada por 400 dólares
Na época, o preço das lentes de montagem FD despencou bastante, porque a distância de flange era curta demais para adaptá-las a DSLRs
No fim, desmontei toda a parte traseira da lente e usinei uma montagem de conversão para poder usá-la em uma DSLR. Um anel adaptador não servia, porque acrescentaria espessura
Depois do surgimento das mirrorless, as lentes FD puderam voltar a ser usadas com um simples anel adaptador, então os preços de usados subiram de novo
Ainda assim, quando se compara o desempenho óptico com lentes autofoco modernas equivalentes, a relação custo-benefício continua excelente. A minha lente hoje sai por cerca de 600 a 1000 dólares no eBay, enquanto uma Sony 300/2.8 GM nova custa 6000 dólares
Se você procura uma teleobjetiva rápida de grande abertura, recomendo muito as lentes FD com elementos de fluorita, desde que foco manual não seja um problema
Comprei por 750 dólares, então também foi uma pechincha incrível
Porém, como o principal uso de teleobjetivas grandes é esporte e vida selvagem, autofoco rápido é um recurso decisivo
Além disso, a otimização computacional moderna reduziu bastante o peso das lentes, melhorou a distribuição de peso e ainda oferece qualidade de imagem impecável, então, para muita gente, 6000 dólares são plenamente justificáveis
Eu não sabia que a Canon usava elementos de fluorita
É como aprender uma coisa nova por dia, muito legal
As teleobjetivas da Canon também têm elementos holográficos, e por volta de 1990 ouvi uma palestra de um projetista de lentes explicando um método inteligente de usar pares de ordens de difração (n e n+1) para se corrigirem mutuamente
Graças a isso, era possível usar não só vidro e fluorita, mas também dispersão difrativa para correção de cor, sem gerar stray light (ghosting) causada por ordens de difração indesejadas
Essas lentes são obras de arte
Recentemente descobri que os elementos ópticos das lentes atuais não são apenas “vidro comum”, mas frequentemente incluem também elementos plásticos especialmente projetados
Vídeo de Gordon Laing, “Canon lens TEARDOWN! What's INSIDE a new lens?”: https://youtube.com/watch?v=YH5_nVRWHZ0
Há também uma desmontagem como esta: https://www.lensrentals.com/blog/2021/01/the-secret-of-the-broken-element-a-canon-rf-100-500mm-f4-7-7-1-teardown/
Elementos de lente asféricos replicados são feitos usando um molde de superfície asférica e uma resina curada por ultravioleta para formar uma camada de superfície asférica sobre uma lente esférica de vidro
Eu esperava que o texto explicasse por que a fluorita reduz a aberração cromática, mas infelizmente ele só diz que “é assim” e não entra muito no porquê
No começo pensei que fosse porque o índice de refração combinava bem, mas ele é quase igual ao do vidro
O candidato mais plausível que encontrei até agora é que a dispersão de velocidade de grupo é oposta, mas, se eu soubesse o que isso significa, talvez isso explicasse
Se você usa apenas o mesmo tipo de vidro, fica difícil para o otimizador encontrar uma solução que corrija a aberração cromática em todo o espectro
Por exemplo, ao ajustar para corrigir a aberração do verde, o azul acaba piorando
Mas, ao usar um material com um padrão de dispersão de cor diferente, como a fluorita, o otimizador ganha graus de liberdade adicionais, permitindo controlar as aberrações por cor de forma mais independente e criar lentes de melhor desempenho
A fluorita tem baixa dispersão total, o que gera menos aberração, e ao mesmo tempo tem um formato da curva de dispersão único, aumentando a margem de controle
Vidros comuns em geral têm curvas de dispersão parecidas, e o formato estranho da curva da fluorita oferece uma alavanca extra para a função de otimização
A explicação é esta: se houver apenas vidros sobre a “linha do vidro”, é possível fazer uma lente cuja distância focal seja igual em dois comprimentos de onda, mas é difícil em três; para isso, são necessários materiais fora da linha do vidro, e um deles é o fluoreto de cálcio
Alguns plásticos, como acrílico ou poliestireno, também podem ser usados, mas têm seus próprios problemas, como expansão térmica
Ter a mesma distância focal em dois comprimentos de onda significa que o gráfico de distância focal versus comprimento de onda é aproximadamente uma parábola; se for igual em três comprimentos de onda, o gráfico se comporta mais como uma curva cúbica
O vidro precisa ser econômico e bem polível, além de transparente, quimicamente estável, resistente a manchas e mecanicamente robusto
Quanto mais “exótico” é o vidro, com propriedades de refração extremas, pior tende a ser seu conjunto geral de propriedades físicas, então não é um problema de projeto fácil
A dispersão parcial dá um grau de liberdade a mais
Ele diz que “os comprimentos de onda vermelho-verde se dispersam com a mesma tendência do vidro, mas os comprimentos de onda verde-azul se dispersam mais do que no vidro. Portanto, ao usar um elemento convexo de fluorita junto com uma lente côncava de vidro de alta dispersão, a aberração cromática residual é eliminada”
Super UD e UD foram por muito tempo uma das referências de padrão no mundo das lentes, e a fluorita teve um papel importante nisso
Leitura adicional interessante: https://www.canon-europe.com/pro/infobank/fluorite-aspherical-ud-lenses/
Achei que fosse sobre lentes de óculos; que pena
Durante os anos em que usei óculos, não me importava muito com aberração cromática, mas depois que comecei a usar lentes de contato, quando volto a usar óculos ela fica muito evidente, especialmente nas bordas das lentes
Para se aproximar da qualidade de imagem das lentes de contato em termos de distorção, as lentes de óculos também precisam ser de qualidade bastante alta
Não entendo bem por que a aberração cromática simplesmente não é corrigida por software
Se sabemos que as imagens vermelha, verde e azul têm posições de foco e tamanhos ligeiramente diferentes, parece fácil corrigir
Para uma cena estática, bastaria tirar 3 fotos, uma focada para cada cor, e redimensioná-las para que coincidissem
Para cenas em movimento, a matemática seria mais complexa, mas ainda assim a maior parte do problema deveria poder ser corrigida
O verdadeiro problema é a luz com comprimentos de onda entre cores diferentes, como o “amarelo”
A solução perfeita seria cada pixel ser um espectrômetro, e isso também parece possível usando um sensor de bandgap variável
Muitas ferramentas têm bancos de dados de lentes compatíveis com os dados EXIF da lente usada na captura, o que ajuda a ajustar automaticamente a imagem na medida adequada
A aberração cromática reduz a resolução espacial