Mehrschichtige diffraktive optische Elemente

Als Pionier bei asphärischen und Fluorit-Linsen setzte Canon die technologische Entwicklung fort und entwarf Linsen, die die Eigenschaften beider Arten verbinden. Die Technologie der mehrschichtigen diffraktiven Optik (DO) wurde im September 2000 angekündigt, ein Prototyp war auf der Photokina 2000 in Köln zu sehen. Canon Objektive der EF-Serie mit DO-Technologie tragen „DO“ im Namen, zum Beispiel EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM, während Canon Objektive der RF-Serie wie das RF 800mm F11 IS STM dieser Konvention nicht mehr folgen. Diese entsprechen damit den anderen RF-Objektiven, deren Namen das Linsenmaterial nicht enthalten.

Diffraktive optische Elemente besitzen ein Beugungsgitter, das den Gang von Lichtstrahlen verändert. Eine solche Beugung kommt auch in normalen Objektiven bei kleinen Blenden vor. Lichtstrahlen werden beim Einfall in die Blende leicht abgelenkt, sodass sie nicht mehr gerade verlaufen. Dies wirkt sich auch auf den Fokus aus und verringert die Auflösung des Objektivs. Aufgrund dieser Beugung bieten die meisten Objektive die beste Leistung nicht bei den kleinsten Blenden, sondern ungefähr zwei Stufen unter dem Maximum.

Mit einem Beugungsgitter können Fehler aber nicht nur verursacht, sondern auch korrigiert werden. Beugungsgitter sehen wie Miniaturversionen der in Leuchttürmen eingesetzten Fresnel-Linsen aus. Häufig kommen sie in Spektroskopen und den optischen Abtastsystemen von CD- und DVD-Playern zum Einsatz.

Bis 2000 wurden diffraktive Elemente nicht in Kameras verwendet, da das Weisslicht beim Passieren des Beugungsgitters hier häufig übermässiges Streulicht verursachte. Das führte zu Reflexionen und schlechterer Bildqualität.

Dieses Problem löste Canon mit einer mehrschichtigen Konstruktion aus zwei einschichtigen diffraktiven Elementen mit gegenüberliegenden konzentrischen kreisförmigen Beugungsgittern. Hier entsteht beim Lichteinfall kein übermässiges Streulicht, und fast das gesamte Bild wird für das Foto verwendet. Das ermöglichte den Einsatz eines diffraktiven optischen Elements in einem Kameraobjektiv.

Das wichtigste Merkmal eines diffraktiven optischen Elements besteht darin, dass die Positionen, an denen die Wellenlängen kombiniert werden, gegenüber einer refraktiven Optik umgekehrt sind. Durch die Kombination von mehrschichtigen diffraktiven sowie refraktiven optischen Elementen im selben optischen System lässt sich die Farbabweichung noch effektiver korrigieren als mit einem Fluorit-Element. Indem zusätzlich die Weite des Beugungsgitters abgepasst wird, kann das diffraktive optische Element dieselben optischen Eigenschaften haben wie eine geschliffene und polierte asphärische Oberfläche, wodurch sphärische und sonstige Abweichungen korrigiert werden.

Durch ein DO-Element kann das Objektiv zudem wesentlich kompakter gebaut werden als bei einem Standardteleobjektiv. Das EF 400mm f/4 DO II IS USM ist zum Beispiel etwa 26 % kürzer und 36 % leichter als ein 400mm f/4-Objektiv ohne DO.

Im September 2014 kündigte Canon das EF 400mm f/4 DO II IS USM an. In diesem kompakten Superteleobjektiv kam zum ersten Mal eine neue Generation diffraktiver optischer Elemente zum Einsatz, die Reflexionen reduzieren, wie sie in früheren DO-Objektiven manchmal auftraten.

In der ursprünglichen zweischichtigen DO-Konstruktion befindet sich zwischen den beiden Beugungsgittern eine Luftschicht. Diese Luftschicht und das Material der Beugungsgitter können im Bild kreisförmige Reflexionen um helle Lichtquellen herum verursachen. Durch eine spaltlose Konstruktion und mit neuen Materialien für die Beugungsgitter wird das Auftreten dieser Blendenflecken reduziert.

Das spaltlose zweischichtige DO-Element ist zudem tiefer im Objektiv verbaut und liegt im EF 400mm f/4 DO II IS USM weiter von der Vorderseite weg als im EF 400mm f/4 DO USM. Dadurch ist es weniger ungewolltem Licht ausgesetzt, das zu Reflexionen führen kann. Ein weiterer Vorteil dieser Veränderung besteht darin, dass der Winkel von auf die Linse fallendem Licht näher an der Senkrechten ist. Somit wird weniger Licht reflektiert, und die Wahrscheinlichkeit von Streulicht bei Gegenlichtmotiven sinkt noch weiter.

Wie schon erwähnt, erlaubt der Einsatz von mehrschichtigen diffraktiven optischen Elementen wesentlich kompaktere Konstruktionen als beim herkömmlichen Objektivdesign. Dies ist besonders vorteilhaft für Superteleobjektive wie das RF 600mm F11 IS STM und das RF 800mm F11 IS STM, die zur Verwendung in Kombination mit Vollformat-Systemkameras aus dem EOS R System entwickelt wurden.

Das RF 600mm F11 IS STM besteht aus 10 Linsen in 7 Gruppen, während das RF 800mm F11 IS STM 11 Linsen in 8 Gruppen aufweist. Beide besitzen jeweils ein mehrschichtiges diffraktives optisches Element.

Bei einer Länge von 269,5 mm im ausgezogenen Zustand ist das RF 600mm F11 IS STM beinahe 40 % kürzer als das EF 600mm f/4L IS III USM. In ähnlicher Weise ist das RF 800mm F11 IS STM fast 24 % kürzer als das EF 800mm f/5.6L IS USM. Die kürzere Bauform der Objektive sorgt für eine einfachere Handhabung und bessere Gewichtsverteilung, vor allem ohne den als Zubehör erhältlichen Akkugriff.

Beide Objektive sind zudem einziehbar und können auf 199,5 mm bzw. 281,8 mm verkürzt werden. So lassen sie sich problemlos verstauen und transportieren. Mit einer lamellenlosen festen F11-Blende ermöglichen die Objektive zudem ein angenehm weiches Bokeh, während der Bildstabilisator für die nötige Bildschärfe sorgt.

Durch die feste Blende gibt es weniger Variablen, die bei der Konstruktion der Objektive berücksichtigt werden müssen. So lässt sich der optische Aufbau optimieren, um das DO-Element bestmöglich auszunutzen und die Bildqualität zu maximieren.