Lentes de fluorita: capacidade de correção além do vidro óptico comum

Exposição especial: lentes de fluorita

• Um dos materiais importantes que sustentam a alta qualidade de imagem das lentes da Canon é a fluorita, um fluoreto de cálcio cristalizado.
• É bem conhecido que, ao usar lentes de fluorita junto com lentes de vidro, é possível reduzir a aberração cromática a níveis extremos.
• Buscando avanços nas capacidades de imagem, a Canon iniciou o desenvolvimento de sua própria tecnologia para formar grandes cristais artificiais de fluorita de alta pureza usando minério de fluorita como matéria-prima.

Como os elementos de lente de fluorita corrigem a aberração cromática

• A aberração cromática ocorre porque, quando a luz passa pela superfície do vidro, comprimentos de onda de cores diferentes (vermelho, verde, azul etc.) são refratados em ângulos diferentes, fazendo com que cada cor convirja em um ponto focal distinto.
• Em geral, ela é corrigida com a combinação de uma lente côncava e uma lente convexa, mas é impossível corrigir a aberração cromática de todos os comprimentos de onda usando vidro comum.
• A fluorita é um material fundamentalmente diferente do vidro óptico tradicional e é usada em combinação com o vidro para corrigir a aberração cromática com mais eficácia.

O surgimento das lentes de fluorita e a melhora da qualidade de imagem das teleobjetivas

• As lentes de fluorita superaram limitações tradicionais ao reduzir a aberração cromática a níveis extremos, e sua origem remonta ao projeto Canon F iniciado em agosto de 1966.
• O objetivo dos desenvolvedores era estabelecer uma tecnologia para usar cristais artificiais de fluorita em lentes de câmera.
• O sucesso em formar cristais artificiais de fluorita grandes o suficiente para uso em lentes de câmera de grande porte veio em 1968.

Processo de produção das lentes de fluorita

• Cada etapa do processo de produção das lentes de fluorita exige lentidão e atenção meticulosa.
• A matéria-prima é o minério de fluorita encontrado na natureza, que é triturado e refinado para remover impurezas.
• A cristalização ocorre com aquecimento a 1.400℃ seguido de resfriamento gradual para formar os cristais.
• O processo de tratamento térmico (annealing) remove tensões internas do cristal para evitar rachaduras.
• As partes desnecessárias do cristal são removidas, e ele passa por um processamento bruto no tamanho necessário.
• As faces superior e inferior do cristal são polidas em formato esférico e depois recebem polimento fino com técnicas especiais.
• Por meio de um processo de deposição, forma-se uma película fina sobre a lente polida.
• Técnicos experientes inspecionam a pureza com um interferômetro, e apenas os elementos de lente aprovados seguem para a montagem.

Lentes que utilizam elementos de lente de fluorita

• Começando pela FL-F300mm, a Canon produziu mais de 39 lentes que utilizam elementos de lente de fluorita.
• Os elementos de lente de fluorita contribuem não apenas para a correção da aberração cromática, mas também para reduzir o tamanho e o peso dos produtos.
• Eles são adorados por muitos fotógrafos, especialmente fotógrafos profissionais de esportes, fotojornalistas e entusiastas que fotografam aves silvestres, trens, aeronaves e muito mais.

Opinião do GN⁺:

• Este artigo oferece uma explicação aprofundada da tecnologia de lentes de fluorita da Canon e mostra como ela desempenha um papel importante na indústria fotográfica.
• A explicação de como as lentes de fluorita reduzem a aberração cromática e melhoram a qualidade da imagem traz informações úteis para engenheiros de software iniciantes interessados em fotografia e óptica.
• A inovação tecnológica da Canon e seu esforço contínuo de aprimoramento também podem inspirar profissionais de outras áreas tecnológicas, destacando especialmente a importância da ciência dos materiais e das tecnologias de processo.

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• Explicação sobre o índice de refração de materiais

  • O índice de refração normalmente fica em torno de 1,5, mas não é um único número fixo; ele varia conforme o comprimento de onda.
  • O gráfico do índice de refração em função do comprimento de onda mostra uma curva decrescente do ultravioleta ao infravermelho.
  • Por causa dessa característica, uma lente convexa tem maior ampliação no azul, aumenta ainda mais no verde, é moderada no vermelho e só é tecnicamente exata no amarelo do vapor de sódio.
  • Para corrigir isso, usam-se lentes convexas e côncavas com composições químicas diferentes para compensar a ampliação adicional no azul.
  • Cristais de fluoreto de cálcio (CaF2) exibem uma curva completamente plana nesse gráfico do índice de refração em função do comprimento de onda, o que é chamado de "dispersão anômala".
  • O fluoreto de cálcio naturalmente faz com que todas as cores entrem em foco no mesmo ponto, reduzindo a necessidade de muitas lentes.
  • A Canon vem enfrentando há décadas o desafio de ampliar cristais opticamente transparentes de cálcio e flúor até o tamanho adequado para câmeras.

• Breve explicação de por que a dispersão é importante

  • Uma lente apocromática é otimizada para três comprimentos de onda diferentes da luz.
  • Antigamente isso era calculado manualmente, mas hoje pode ser otimizado rapidamente com computadores.
  • Os computadores fazem a otimização com base em dados reais de índice de refração e dispersão fornecidos pelos fabricantes de vidro.
  • O flúor também tem propriedades especiais quando usado como revestimento.

• Vantagens das lentes de fluoreto de cálcio

  • Lentes de fluoreto de cálcio mostram vantagens importantes em altas ampliações ou quando se atinge o limite de velocidade do sistema.
  • Quando combinadas com estabilização VR, a aberração cromática é reduzida de forma notável.
  • Softwares modernos de edição de fotos corrigem os efeitos da lente (vinheta, distorção em barril/almofada) e a aberração cromática.

• Novas informações sobre o uso de lentes de fluoreto de cálcio pela Canon

  • As teleobjetivas da Canon também usam elementos holográficos, e há um método inovador de correção de cor com fluoreto de cálcio.

• O fato de as lentes incluírem elementos plásticos

  • Lentes modernas incluem não apenas vidro, mas também elementos plásticos projetados especialmente.

• Falta de explicação sobre a prevenção da aberração cromática

  • Falta uma explicação de por que isso ajuda a evitar a aberração cromática.
  • Como o índice de refração é quase igual ao do vidro, uma possível explicação é que a dispersão de velocidade de grupo é oposta.

• A importância das lentes Super UD e UD

  • Super UD e UD foram por muito tempo o padrão-ouro das lentes, e o fluoreto de cálcio teve um grande papel nisso.

• A possibilidade de resolver a aberração cromática por software

  • A aberração cromática pode ser resolvida por software, e há o método de tirar fotos separadas para cada cor e ajustar a escala.

• Experiência pessoal com o desempenho de lentes de fluoreto de cálcio

  • A lente FD 300/2.8 S.S.C. de fluoreto de cálcio, lançada em 1975, apresenta desempenho excelente.
  • Ela é adequada para astrofotografia e, embora o preço no mercado de usados tenha subido, ainda oferece bom valor em comparação com lentes modernas com foco automático.