- Canon produce fluorita basada en espato flúor como cristales artificiales de alta pureza y la usa como material para lentes que corrige la aberración cromática, difícil de reducir solo con vidrio óptico común
- La aberración cromática es un fenómeno en el que el foco se desplaza según el color debido a diferencias de refracción por longitud de onda; incluso con una combinación de lentes cóncavos y convexos de vidrio, es difícil eliminar por completo la aberración cromática residual
- La fluorita tiene bajo índice de refracción, baja dispersión y dispersión parcial anómala, por lo que, al combinarse con lentes cóncavos de vidrio de alta dispersión, aumenta el efecto de corrección de la aberración cromática residual
- Canon inició el F Project en agosto de 1966, en 1968 creó grandes cristales artificiales para lentes de cámara y, en mayo de 1969, lanzó el FL-F300mm f/5.6
- Las lentes de fluorita se usan para aumentar la nitidez y el contraste en fotografía superteleobjetivo; al mayo de 2021, Canon había producido 39 lentes adicionales con elementos de fluorita desde el FL-F300mm
Por qué la fluorita se convirtió en material para lentes
- Uno de los materiales que respaldan la alta calidad de imagen de los lentes Canon es la fluorita, una forma cristalina del fluoruro de calcio
- Al usarse junto con lentes de vidrio, puede reducir la aberración cromática a niveles muy bajos
- La fluorita natural era de tamaño pequeño, por lo que solo era adecuada para equipos ópticos pequeños, como objetivos de microscopio
- Para aplicarla a lentes fotográficos, Canon empezó a desarrollar tecnología para fabricar cristales artificiales de fluorita grandes y de alta pureza usando mineral de espato flúor como materia prima
- El FL-F300mm f/5.6, lanzado en mayo de 1969, fue el primer teleobjetivo de consumo del mundo en usar un elemento de fluorita
Aberración cromática y principio de corrección
- La aberración cromática puede manifestarse como bordes de color alrededor del contorno del sujeto o como una imagen general borrosa
- Cuando la luz atraviesa la superficie del vidrio, las luces de distintas longitudes de onda, como rojo, verde y azul, se refractan en ángulos diferentes, y la posición de enfoque cambia según el color
- En general, la aberración cromática se corrige con una combinación de lentes cóncavos y convexos que refractan la luz en direcciones opuestas
- Sin embargo, solo con vidrio óptico común no se puede eliminar la aberración cromática de todas las longitudes de onda, por lo que queda aberración cromática residual en ciertas longitudes de onda
- Como el índice de refracción por longitud de onda varía según el tipo de vidrio óptico, existe un límite para reducir la aberración cromática residual únicamente mediante combinaciones y propiedades del vidrio
Características ópticas de la fluorita
- La fluorita es un material fundamentalmente distinto del vidrio óptico convencional, por lo que, al combinarse con vidrio, corrige la aberración cromática de manera más efectiva
- Su efecto es especialmente grande en teleobjetivos, donde la aberración cromática aumenta por la mayor distancia focal
- Los elementos de fluorita de Canon usan fluorita natural como materia prima y tienen características de bajo índice de refracción y baja dispersión difíciles de obtener con lentes de vidrio
- La fluorita muestra una tendencia singular de dispersión parcial anómala
- De las longitudes de onda rojas a las verdes, se dispersa con la misma tendencia que el vidrio
- De las longitudes de onda verdes a las azules, se dispersa más que el vidrio
- Al usar en conjunto un elemento convexo de fluorita y un elemento cóncavo de vidrio de alta dispersión, es posible eliminar la aberración cromática residual y producir imágenes nítidas y de alta calidad
Diferencia entre refracción y dispersión
- La refracción es el fenómeno por el cual la luz cambia de dirección al atravesar la superficie de un material como el vidrio
- El grado de ese cambio de dirección se llama índice de refracción
- Como el índice de refracción varía según la composición de color de la luz, es decir, según su longitud de onda, cada color se curva en una dirección distinta
- Este fenómeno es la dispersión cromática
- En el vidrio óptico, la dispersión ocurre en una proporción constante independientemente de la longitud de onda, pero en la fluorita la proporción de dispersión cambia según la longitud de onda; a esto se le llama dispersión parcial anómala
Canon F Project y producción de cristales artificiales
- El origen de las lentes de fluorita está en el Canon F Project, iniciado en agosto de 1966
- Los desarrolladores de lentes de Canon concluyeron que, para crear lentes superiores a los existentes, primero debían crear un nuevo material
- El principal desafío en la producción de cristales artificiales de fluorita era la cristalización
- El vidrio es un término que se refiere al estado de una sustancia: es amorfo, con átomos fijados en posiciones aleatorias, y al fundirse puede procesarse en otras formas
- En cambio, la fluorita es un material cristalino, por lo que debe formar una disposición específica de sus átomos constituyentes para cristalizar
- Triturar y purificar fluorita natural, y luego restaurar con precisión su estructura atómica para recristalizarla en un tamaño lo bastante grande para usarse en lentes de cámara, era una tarea casi imposible
- Los desarrolladores tuvieron que asegurar un entorno de vacío con control preciso que mantuviera al menos 1,000 °C, y diseñaron un equipo para producir artificialmente cristales grandes de alta pureza
- En 1968, dos años después del inicio del F Project, Canon logró crear cristales artificiales de fluorita lo bastante grandes para usarse en lentes de cámara
Pulido y comercialización
- Otro desafío en la producción de lentes de fluorita era el pulido
- La fluorita es más blanda y delicada que el vidrio, por lo que los métodos usados para pulir vidrio no eran adecuados
- Canon desarrolló una tecnología de pulido exclusiva para fluorita que requiere hasta cuatro veces más tiempo que el vidrio óptico común
- Esta tecnología se comercializó en mayo de 1969
- El FL-F300mm f/5.6, primer producto en incorporar un elemento de fluorita, fue muy valorado por sus imágenes vívidas y de alto contraste, y se usó ampliamente en ámbitos profesionales como el fotoperiodismo
- Más adelante, a medida que mejoraron las tecnologías de vacío de alta temperatura, control de temperatura y pulido, se incorporaron elementos de fluorita en más lentes
Proceso de producción de lentes de fluorita
- Materia prima: la materia prima de las lentes de fluorita es mineral natural de espato flúor
- Trituración y purificación: el espato flúor se tritura, se eliminan las impurezas y luego se coloca en un crisol de grafito que no se funde fácilmente
- Cristalización: el crisol se coloca en un equipo de crecimiento cristalino con un calentador superior y se calienta a 1,400 °C
- Después de que la fluorita de la materia prima se funde, al bajar lentamente el crisol, la cristalización avanza desde el fondo del crisol
- Recocido: es el proceso de eliminar deformaciones internas del cristal
- Después de calentar el cristal a una temperatura alta que no llega a fundirlo, se enfría lentamente hasta temperatura ambiente durante varias semanas para eliminar deformaciones que podrían provocar grietas
- Recorte y desbaste: se cortan las partes innecesarias de la superficie del cristal, se procesa de forma aproximada hasta el tamaño necesario y luego se inspecciona si hay anomalías internas
- Esmerilado: las superficies superior e inferior del cristal se desgastan hasta darles una forma esférica que parece vidrio esmerilado
- Pulido: con pellets de abrasivo solidificado se pule la superficie hasta dejarla semitransparente y dentro de las dimensiones especificadas; luego se eliminan rayones finos con un abrasivo especial
- Deposición: en condiciones de alto vacío, de entre una millonésima y una cienmillonésima de la presión atmosférica, el material de recubrimiento se evapora térmicamente para formar una película delgada sobre la lente pulida
- Inspección final: técnicos expertos inspeccionan la pureza con un interferómetro, y solo los elementos que aprueban la inspección pasan al proceso de ensamblaje del lente
Lentes aplicables y usuarios
- Al mayo de 2021, Canon había producido 39 lentes adicionales con elementos de fluorita desde el FL-F300mm
- Los elementos de fluorita contribuyen no solo a corregir la aberración cromática, sino también a reducir el tamaño y el peso del producto
- Por esta característica se usan activamente en teleobjetivos de gran tamaño
- Las lentes de fluorita son usadas por fotógrafos que exigen alta calidad de imagen en distancias focales superteleobjetivo
- Fotógrafos deportivos profesionales
- Fotoperiodistas
- Aficionados que fotografían aves silvestres, ferrocarriles, aviones, entre otros
- Entre los lentes lanzados en 2021 están el RF400mm F2.8 L IS USM y el RF600mm F4 L IS USM, cada uno de los cuales usa dos elementos de fluorita
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Como todavía no he visto un buen resumen, lo ordeno así: el índice de refracción de un material normalmente no es un único valor fijo de alrededor de 1.5, sino que cambia según la longitud de onda
La difracción, como la interferencia cuántica, se refuerza en algunas direcciones y se cancela en otras, por lo que la gráfica longitud de onda–índice de refracción termina siendo una curva monótonamente decreciente, parecida a una exponencial/asíntota, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo
Por eso una lente convexa tiene más aumento del previsto en el azul, también más en el verde, está bien en el rojo y, estrictamente hablando, solo queda correcta en el amarillo del vapor de sodio, creando en el plano focal una imagen aberrada con desalineación de color
Para corregir esto, se combinan lentes convexas/cóncavas de composiciones con distinta tasa de disminución del índice de refracción, como Schott BK7 y F2, de modo que el exceso de potencia refractiva positiva en el azul de la primera lente convexa se cancele con el exceso de potencia refractiva negativa en el azul de la lente cóncava que viene después
Si se alarga aún más la cadena de lentes, se pueden corregir tantas longitudes de onda adicionales, efectos secundarios y otros defectos como se desee
En este contexto, la razón por la que la fluorita (CaF2) es importante es que muestra una “dispersión anómala” con una gráfica longitud de onda–índice de refracción casi plana, lo que permite reunir casi todos los colores del espectro visible en casi el mismo punto y saltarse muchas lentes de corrección
Eso sí, producir en masa cristales de fluoruro de calcio ópticamente transparentes del tamaño de una cámara es difícil, y es un área en la que Canon ha estado trabajando durante décadas
https://en.wikipedia.org/wiki/Folk_etymology
https://en.wiktionary.org/wiki/aberro#Latin
El problema del crecimiento de cristales se resolvió en los años 60 y hoy es una tecnología común
La fluorita también se usa en lentes Fuji, y Nikon/Sony tienen sus propios vidrios especiales para abordar el mismo problema
El índice de refracción no es un ángulo, sino un valor que puede calcularse a partir del ángulo de incidencia y el ángulo de refracción: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law
Además, el índice de refracción puede depender no solo de la longitud de onda sino también de la polarización de la luz, y eso da lugar a la birrefringencia: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Birefringence
La dispersión anómala normalmente se llama anomalous dispersion y es cuando, en lugar de que el índice de refracción baje al aumentar la longitud de onda como en la dispersión normal, aumenta: https://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(optics)#Material_dispersion_in_optics
Si existiera un material sin dispersión, se podrían fabricar lentes solo con eso y evitar la aberración cromática, pero como no existe en la práctica, hay que combinar y cancelar las dispersiones de distintos materiales
La fluorita no presenta dispersión anómala en el rango visible, sino baja dispersión
Canon aparentemente ha producido con éxito en masa cristales de fluoruro de calcio del tamaño de una cámara desde los años 60, y otras empresas también
Según https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorite, el fluoruro de calcio es transparente en el infrarrojo y el ultravioleta, y como el cambio de su índice de refracción con la longitud de onda es muy pequeño, se usa comúnmente como material para ventanas en laboratorio; Canon y otras empresas han usado cristales de fluoruro de calcio de crecimiento sintético en lentes para ayudar en diseños apocromáticos y reducir la dispersión óptica
Además, sodium, fluorite, calcium y fluoride no son marcas ni nombres propios, así que en inglés no corresponde escribirlos con mayúscula como en alemán
Buscando una explicación fácil de por qué la dispersión es importante, este artículo me resultó útil: https://www.targettamers.com/guides/apochromatic-lenses/
Un lente apocromático, a diferencia de un lente acromático que solo optimiza dos longitudes de onda, está optimizado para tres longitudes de onda
Antes los cálculos se hacían a mano, y eso en sí no es necesariamente lo impresionante, pero sí sorprende que aun así salieran diseños de lentes tan sobresalientes
Hoy las computadoras hacen la optimización muy rápido, pero los cálculos dependen de las propiedades físicas reales de los materiales de vidrio, y esas propiedades también cambian junto con el costo, la durabilidad, etc.
Por lo tanto, la computadora no optimiza libremente un rango continuo de índice de refracción/dispersión, sino que solo puede trabajar con materiales discretos reales que los fabricantes de vidrio han catalogado y que el diseñador especifica en el programa
El flúor también tiene propiedades especiales como recubrimiento: https://www.digitalcameraworld.com/features/this-is-why-your-camera-lens-needs-a-fluorine-coating
La idea es reducir la precisión necesaria durante el ensamblaje, para poder montar los elementos en el barril y enviarlos casi sin ajustes
Esto se usa mucho sobre todo en lentes de kit, donde la sensibilidad al precio es alta
Incluso con película pancromática en blanco y negro normalmente daban resultados satisfactorios, pero con película a color la aberración cromática empezaba a hacerse visible
Los lentes apocromáticos están corregidos para azul, verde y rojo
También es posible hacer lentes corregidos para un espectro más amplio, incluyendo ultravioleta e infrarrojo, y Nikon fabricó lentes como el UV 105mm f4.5 para usos técnicos/científicos
Hay dos tipos de aberración cromática y ambos surgen de la dispersión
La aberración cromática axial ocurre cuando la distancia focal cambia según la longitud de onda, haciendo imposible un enfoque perfecto. Si enfocas en el verde, el rojo y el azul quedan desenfocados; afecta a toda la imagen y es muy difícil de corregir en posprocesado
La aberración cromática lateral ocurre cuando la magnificación cambia según la longitud de onda, de modo que no se forma una única imagen propia. La imagen azul es un poco más grande que la verde, y la verde más grande que la roja, así que aparece como franjas de color en los bordes y esquinas alejados del eje óptico. Se puede corregir algorítmicamente redimensionando las subimágenes roja/azul para alinearlas con la verde
He visto lentes fractales muy extraños y lentes compuestos
Los lentes de fluorita son impresionantes, pero no ofrecen una ventaja decisiva hasta que se trata de altos aumentos o de acercarse al límite de velocidad del sistema
La diferencia real aparece cuando se combinan con la estabilización VR para obtener una ganancia de más de 4 pasos en la velocidad de obturación
Si el sujeto queda así de nítido, la aberración cromática se vuelve muy evidente, o deja de serlo gracias a la fluorita
Curiosamente, las herramientas modernas de edición fotográfica ahora corrigen por software tanto efectos del lente como el viñeteo y la distorsión de cojín, además de la aberración cromática
Comparado con cuando empecé alrededor de 1989 con un Nikkor 70-210 f/4 y película, las fotos que se pueden tomar hoy son sorprendentes
Personalmente, el verdadero problema es que hay demasiadas tomas tan buenas que llaman la atención, y hay que reducirlas a una cantidad que uno pueda procesar
Tal vez a los niños de hoy no les impresione tanto, pero la enorme ingeniería detrás de la tecnología fotográfica me deja con humildad
Mientras dispares en RAW, corregirla automáticamente en posprocesado es algo trivial
Por eso se ven sobre todo en teleobjetivos grandes de larga distancia focal, donde el tamaño y el peso sí llegan a ser una carga real
Tengo un lente FD 300/2.8 S.S.C. Fluorite de 1975, y realmente es un lente fantástico
Es nítido hasta las esquinas incluso a máxima apertura f/2.8, y es excelente para astrofotografía
En una sola toma puede capturar la nebulosa de Orión, la nebulosa Cabeza de Caballo y hasta detalles de los brazos espirales de la galaxia de Andrómeda
También es excelente para retrato en exteriores y desenfoca el fondo de forma cremosa, pero quedas tan lejos que para hablar con el sujeto casi necesitarías una llamada en altavoz
Su precio de lista en ese momento era de 420000 yenes, equivalente a 5364 dólares actuales, y yo lo compré usado por 400 dólares
En ese tiempo los lentes con montura FD habían caído mucho de precio, porque la distancia de registro era demasiado corta para adaptarlos a DSLR
Al final desmonté toda la parte trasera del lente y mecanicé una montura de conversión para poder usarlo en DSLR. Un anillo adaptador no sirve porque añade grosor
Tras la llegada de las mirrorless, los lentes FD volvieron a poder usarse con un simple anillo adaptador y sus precios de segunda mano subieron otra vez
Aun así, si comparas su rendimiento óptico con lentes autofocus modernos equivalentes, siguen teniendo una relación calidad-precio excelente. El mío cuesta ahora unos 600~1000 dólares en eBay, mientras que un Sony 300/2.8 GM nuevo cuesta 6000 dólares
Si buscas un teleobjetivo luminoso y rápido, recomiendo mucho los lentes FD con elementos de fluorita, siempre que estés bien con el enfoque manual
Lo compré por 750 dólares, así que también fue una tremenda ganga
Pero como el uso principal de los teleobjetivos luminosos es deporte y vida salvaje, el autofocus rápido es una característica decisiva
Además, la optimización computacional moderna ha reducido mucho el peso del lente y ha mejorado la distribución del peso, además de ofrecer una calidad de imagen impecable, así que para mucha gente esos 6000 dólares están totalmente justificados
No sabía que Canon usaba elementos de fluorita
Se aprende algo nuevo cada día, y está genial
Los teleobjetivos de Canon también incluyen elementos holográficos, y por ahí de 1990 escuché una charla de un diseñador de lentes que explicaba un método ingenioso para usar un par de órdenes de difracción (n y n+1) para compensarse entre sí
Gracias a esto, se podía usar no solo el vidrio y la fluorita, sino también la dispersión por difracción para la corrección de color, sin generar stray light (ghosting) por órdenes de difracción no deseados
Estos lentes son obras de arte
Hace poco me enteré de que los elementos ópticos de los lentes actuales no son solo “vidrio”, sino que también suelen incluir elementos plásticos diseñados especialmente
Video de Gordon Laing, “Canon lens TEARDOWN! What's INSIDE a new lens?”: https://youtube.com/watch?v=YH5_nVRWHZ0
También tienen artículos de este tipo: https://www.lensrentals.com/blog/2021/01/the-secret-of-the-broken-element-a-canon-rf-100-500mm-f4-7-7-1-teardown/
Los elementos de lente asféricos replicados se fabrican formando una capa superficial asférica sobre una lente de vidrio esférica usando un molde de superficie asférica y resina curada con luz ultravioleta
Esperaba que el artículo explicara por qué la fluorita reduce la aberración cromática, pero por desgracia solo dice “así es” y no entra en detalle sobre el porqué
Al principio pensé que sería porque su índice de refracción encaja bien, pero es casi igual al del vidrio
Hasta ahora, la hipótesis más plausible que encontré es que la dispersión de velocidad de grupo va en sentido opuesto, aunque si entendiera bien qué significa eso quizá podría explicarlo
Si se usan solo tipos parecidos de vidrio, al optimizador le cuesta encontrar una solución que corrija la aberración cromática en todo el espectro
Por ejemplo, al ajustar para corregir la aberración en verde, se puede arruinar la azul
Pero si se usa un material como la fluorita, con un patrón de dispersión de color distinto, el optimizador gana un grado de libertad adicional, lo que permite controlar más independientemente la aberración de cada color y crear lentes de mejor rendimiento
La fluorita tiene poca dispersión total, así que produce menos aberración, y al mismo tiempo la forma de su curva de dispersión es única, lo que da más margen de control
Los vidrios normales suelen tener curvas de dispersión parecidas, pero la forma extraña de la curva de la fluorita le da una palanca adicional a la función de optimización
La explicación es esta: si solo tienes vidrios sobre la “línea de los vidrios”, puedes hacer lentes con la misma distancia focal en dos longitudes de onda, pero es difícil hacerlo en tres; necesitas materiales que se salgan de esa línea, y uno de ellos es el fluoruro de calcio
También se pueden usar algunos plásticos como el acrílico o el poliestireno, pero tienen sus propios problemas, como la expansión térmica
Que la distancia focal sea igual en dos longitudes de onda significa que la gráfica de distancia focal vs. longitud de onda es aproximadamente una parábola, y que sea igual en tres significa que la gráfica se parece a una curva cúbica
El vidrio debe ser económico, poder pulirse bien, ser transparente, químicamente estable, no mancharse y ser mecánicamente resistente
Cuanto más “exótico” es un vidrio con propiedades de refracción extremas, peor tienden a ser sus propiedades generales, así que no es un problema de diseño sencillo
Gracias a la dispersión parcial hay un grado de libertad más
Dice: “Las longitudes de onda rojo-verde se dispersan con la misma tendencia que el vidrio, pero las longitudes de onda verde-azul se dispersan más que en el vidrio. Por lo tanto, al usar un elemento convexo de lente de fluorita junto con una lente cóncava de vidrio de alta dispersión, se elimina la aberración cromática residual”
Super UD y UD han sido durante mucho tiempo uno de los estándares de referencia en el mundo de los lentes, y la fluorita juega un papel importante ahí
Lectura adicional recomendada: https://www.canon-europe.com/pro/infobank/fluorite-aspherical-ud-lenses/
Pensé que hablaban de lentes para anteojos, qué lástima
Durante los años en que usé anteojos no le presté mucha atención a la aberración cromática, pero desde que empecé a usar lentes de contacto, cuando vuelvo a ponerme anteojos se nota muchísimo, sobre todo en la periferia del lente
Para acercarse a la calidad de imagen de los lentes de contacto en términos de distorsión, los lentes para anteojos también tienen que ser de muy alta calidad
No entiendo bien por qué la aberración cromática no se corrige simplemente por software
Si sabes que las imágenes roja, verde y azul tienen posiciones de enfoque y tamaños ligeramente distintos, parecería fácil corregirlo
Si la escena está quieta, bastaría con tomar 3 fotos enfocadas por color y luego reescalarlas para que coincidan entre sí
En escenas con movimiento la matemática sería más complicada, pero aun así parecería que la mayoría de los problemas deberían poder corregirse
El verdadero problema es la luz con longitudes de onda entre colores distintos, como el “amarillo”
La solución perfecta sería que cada píxel fuera un espectrómetro, y con sensores de bandgap variable parecería posible
Muchas herramientas tienen una base de datos de lentes que coincide con los datos EXIF del lente usado en la toma, lo que ayuda a ajustar la imagen automáticamente en la medida adecuada
La aberración cromática reduce la resolución espacial