Fluorit-, asphärische, UD- und BR-Linsen

Fotografen bezeichnen Linsen manchmal einfach als „Glas“. Natürlich ist für ein Objektiv viel mehr nötig als nur ein bisschen Glas, und tatsächlich bestehen optische Linsen in modernen Objektiven häufig überhaupt nicht aus Glas. Zum Beispiel könnten sie aus Fluorit bestehen.

Fluorit ist ein natürlich vorkommendes Kristall mit drei speziellen Besonderheiten, durch die es in besonderem Maße zur Verwendung als Linsen geeignet ist − es ist ein guter Leiter für Infrarot- und Ultraviolett-Licht, weist einen sehr niedrigen Brechungsindex auf und hat eine geringe Dispersion.

Was bedeutet das für deine Aufnahmen? Wenn Licht durch eine Linse fällt, wird es gebrochen – sprich: abgelenkt. Zudem bricht es entsprechend seiner Farbanteile, genauso wie bei einem Prisma. Je geringer der Lichtbrechungsindex des Linsenmaterials ist, umso weniger wird das Licht abgelenkt, und umso schärfer wird die Aufnahme. Ähnlich verhält es sich mit der Dispersion: Je weniger das Licht gebrochen wird, umso einfacher ist es, chromatische Aberrationen zu korrigieren.

Die chromatische Aberration ist typisch für Glaslinsen. Das Problem tritt auf, weil die Linse die verschiedenen Farben (die Wellenlängen des Lichts) nicht auf den gleichen Fokuspunkt bündeln kann und im schlimmsten Fall Farbsäume an einigen Rändern verursacht. Eine Fluorit-Linse hat einen niedrigeren Brechungsindex, was zu einer Reduzierung dieses Effekts führt.

Bereits im 19. Jahrhundert verwendeten die Menschen natürliche Fluorit-Kristalle für die Linsen von Mikroskopen. Doch in der Natur wächst Fluorit in derart kleinen Kristallen, dass es sich nicht für die Linsen von Fotokameras eignet. Um dieses Problem zu lösen, züchtet Canon zur Herstellung von Fotolinsen in ausreichender Menge eigene synthetische Fluorit-Kristalle.

In der nächsten Phase wird das Fluorit zu Linsen geschliffen − eine weitere Herausforderung, da sich Fluorit nur schwer schleifen lässt. Die Ingenieure von Canon haben jedoch eine neue Schleiftechnik entwickelt, welche die Herstellung von makellosen Fluorit-Linsen garantiert. Der Nachteil ist, dass das Schleifen einer Fluorit-Linse viermal so viel Zeit beansprucht wie das einer Glaslinse − mit ein Grund für die höheren Kosten der Objektive der Canon L Serie. Das Ergebnis liefert jedoch Linsen, die die chromatische Aberration fast vollständig beseitigen. So entstehen schärfere Bilder, da das Licht als Punkt statt als Wirbel aus Farben aufgenommen wird.

Das erste Canon Objektiv mit einer Fluorit-Linse war das 1969 hergestellte FL-F 300mm f/5.6 Objektiv.

Früher waren alle Linsen sphärisch geschliffen. Das war in der Fertigung die einfachste Methode. Diese waren jedoch nicht in der Lage, ein gestochen scharfes Bild darzustellen, weil sie parallele Lichtstrahlen nicht an einem Punkt konvergieren lassen können. Das führt zu der sogenannten sphärischen Aberration. Linseningenieure entdeckten, dass eine asphärisch geschliffene Linse diese Art der Aberration eliminiert, weil die Krümmung der Linse in der Lage ist, Lichtstrahlen an einem einzigen Punkt zu bündeln. Doch theoretisches Wissen ist eine Sache − die Umsetzung in die Praxis eine ganz andere.

Das Maß der Asphärizität ist so gering, dass die Entwicklung von speziellen Herstellungsprozessen erforderlich war, um den notwendigen Toleranzbereich von 0,1 Mikrometern nicht zu überschreiten. Die Messung der Krümmung erfordert eine noch größere Genauigkeit. Erst 1971 wurde das erste SLR Kameraobjektiv mit einer asphärischen Linse hergestellt. Sie war aber alles andere als perfekt. Tatsächlich dauerte es weitere zwei Jahre, bis die Herstellungstechniken ein Niveau erreichten, das es möglich machte, große Steigerungen in der Bildschärfe zu erreichen.

Heute schleifen und polieren wir asphärische Linsen so präzise, dass Linsen, deren Asphärizität nur 0,02 Mikrometer (1/50.000 eines Millimeters) vom Idealmaß abweicht, ausgemustert werden.

Asphärische Linsen tragen dazu bei, die Verwackelung bei Weitwinkelobjektiven auszugleichen und sphärische Aberrationen von Linsen mit einer großen maximalen Blende zu korrigieren (oder sogar zu beseitigen). Außerdem kann Canon nun kompaktere Objektive herstellen, als dies bei ausschließlicher Verwendung von sphärischen Linsen möglich war.

Das Schleifen und Polieren von asphärischen Linsen ist ein langwieriger und teurer Prozess, doch die Entwicklung der Herstellung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass wir asphärische Linsen auch formen können. Selbstverständlich muss die Fertigung der Formen sehr präzise sein, um sicherzustellen, dass das geschmolzene Glas genau die richtige Form erhält. Außerdem müssen die Formen Raum für die Dimensionsveränderungen der Linsen bieten, die auftreten, sobald das Glas abgekühlt ist und poliert wurde.

Obwohl ihre Fertigung nach wie vor Präzisionsarbeit ist, ist die Herstellung der geformten Linsen kostengünstiger als die der geschliffenen, wodurch ihre Verwendung für Objektive im Verbrauchersegment möglich ist.

Nachdem Canon in einigen Linsen erfolgreich Fluorit genutzt hatte, kam die Verwendung von UD-Glas (Ultra-low Dispersion Glas) und Super-UD-Glas auf. Da es kostengünstiger ist, chromatische Aberrationen durch die Verwendung von optischem Glas anstelle von Fluorit zu beheben, konzentrierte Canon die Forschung fortan auf die Herstellung von besonders leistungsfähigen Linsen aus optischem Glas. Im Laufe der Jahre hat Canon über 100 verschiedene Glassorten für Linsen verwendet – alle mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften.

UD-Glas ähnelt Fluorit im Bezug auf den geringen Brechungsindex und die geringe Dispersion. Zwar ist es nicht ganz so gut wie Fluorit, aber die Ergebnisse sind bedeutend besser als die von gewöhnlichem optischen Glas. Durch die Verwendung von UD-Glas ist es Canon also möglich, eine Reihe an Linsen zu fertigen, die eine herausragende Leistung zu geringerem Preis als bisher bieten.

In mehreren Linsen der L Serie hat Canon Elemente der UD-Glaslinsen und der Fluorit-Linsen kombiniert, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Technologie eignet sich für verschiedene Objektivarten, angefangen bei Weitwinkel- bis hin zu Superteleobjektiven.

Blaues (kurzwelliges) Licht stellt für Linseningenieure eine besonders große Herausforderung dar, da sich sein Weg durch die Linse nicht so leicht korrigieren lässt, wie das bei grünem und rotem Licht mit längerer Wellenlänge der Fall ist. Aus diesem Grund kann es zu blauen Farbsäumen kommen.

Im August 2015 stellte Canon jedoch das EF 35mm f/1.4L II USM Objektiv vor, das erste mit einer BR-Linse (Blue Spectrum Refractive Linse). Für die BR-Linse nutzte Canon eine neue organische optische Linse mit anderen Dispersionseigenschaften als herkömmliche Linsen. Sie ist zwischen konkaven und konvexen Glaslinsen eingebettet, sodass der Weg des blauen Lichts gesteuert und die chromatische Aberration minimiert wird.

Canon setzt die Entwicklung von neuem optischem Material fort, um die Möglichkeiten der Objektivkonstruktion und -herstellung auszubauen. Zum Beispiel vereint die Technologie der mehrschichtigen diffraktiven optischen Elemente von Canon die Eigenschaften von asphärischen und Fluorit-Linsen. So ist es Canon möglich, kleinere und leichtere Objektive mit einer besseren Leistung trotz kleinerer Blende herzustellen.