Objektive auf neuem Niveau: Wie Ingenieure von Canon das Design von Ultraweitwinkelobjektiven neu definieren

Als Tatsuro Watanabe zu Canon kam, kündigte er an, er wolle „das perfekte Objektiv“ entwickeln. Rückblickend findet er die Ankündigung, die er bei seinem ersten Auftrag gemacht hat, etwas peinlich – aber gibt auch zu: „Insgeheim glaube ich, dass das RF 14mm F1.4 L VCM genau das sein könnte.“

Dieses bahnbrechende Ultraweitwinkelobjektiv mit Festbrennweite ist ein Meisterwerk der optischen und mechanischen Technik. Ein solches Objektiv wäre für eine DSLR unmöglich zu konstruieren gewesen: Es ist ultraweit, ultraschnell und angesichts seiner starken technischen Daten bemerkenswert kompakt.

Canons Umstellung auf spiegellose Kameras hat es möglich gemacht, Objektive zu entwickeln, die kleiner und leichter sind als je zuvor, sagt Tatsuro, der für das optische Design des RF 14mm F1.4 L VCM verantwortlich war. „Wir haben bisher das EF 14mm f/2.8L II USM für EOS DSLRs angeboten. Im Vergleich zu diesem Modell ist das RF 14mm F1.4 L VCM tatsächlich leichter, aber seine maximale Blende ist zwei Blendenstufen heller.

„Bei der Entwicklung des Objektivs haben wir uns vor allem auf seine Einsatzmöglichkeiten in der Sternenfotografie konzentriert – ein Genre, das ein lichtstarkes Ultraweitwinkelobjektiv mit einer Brennweite von etwa 14 mm erfordert, um sowohl den Sternenhimmel als auch irdische Motive in einem einzigen Landschaftsfoto festzuhalten. Das ermöglicht eine möglichst kurze Belichtungszeit und sorgt dafür, dass die Sterne als scharfe, deutliche Lichtpunkte erscheinen.“

Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Tatsuro sich daran machte, das beste Objektiv für die Astrofotografie zu entwickeln, da er sich sein Leben lang der Astronomie gewidmet hat. Er hat dieses Thema nicht nur an der Universität studiert, wo er in den Sommerferien freiwillig ein Teleskop mit einer Blende von 50 cm baute, sondern er entwickelte auch Ausrüstung für das 8,2-Meter-Teleskop von Subaru, das vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) auf Hawaii betrieben wird.

Beim RF 14mm F1.4 L VCM konnte Tatsuro sich jedoch auf kompaktere Optiken konzentrieren. Das Geheimnis, um dieses für die Sternenfotografie bestimmte Objektiv so klein zu machen, war das Canon RF Bajonett, erklärt er. „Die optischen Designs der RF Objektive für das EOS R System haben einen grossen Durchmesser und ein kurzes Auflagemass, wodurch die Linsenelemente mit grösserer Blende näher an der Bildebene angeordnet werden können als bei herkömmlichen EF Objektiven.“

Grössere hintere Linsen, die näher am Sensor positioniert sind, bedeuten, dass die Lichtstrahlen nicht so stark gekrümmt werden müssen, so dass die Bildqualität über den gesamten Bildausschnitt erhalten bleibt – selbst bei grossen Blendenöffnungen. Das ist besonders wichtig, wenn es um die besonderen Anforderungen der Astrofotografie geht.

„Eine hohe optische Leistung ist für jede Art von astronomischer Fotografie unerlässlich“, erklärt Tatsuro. „Sterne sind helle Lichtpunkte, die über den ganzen Himmel verstreut sind. Bei Weitwinkelobjektiven mit kurzen Brennweiten treten oft Abbildungsfehler auf, die zu Verzerrungen an den Bildrändern führen. Um Sterne als gestochen scharfe Punkte einzufangen, muss das Objektivdesign die Bildqualität in den Randbereichen verbessern.“

In diesem Bereich ist das RF 14mm F1.4 L VCM überragend und liefert eine Leistung von Rand zu Rand, die nicht von dieser Welt ist. „Das RF 14mm F1.4 L VCM verfügt über eine umfangreiche Linsenkonfiguration mit asphärischen GMo-Linsenelementen, Fluoritmaterial für die chromatische Aberrationskorrektur, UD- und optische BR-Linsen sowie fortschrittlichen Beschichtungstechniken“, erklärt Tatsuro. „Es ist ein ganz besonderes Objektiv, das voller leistungsstarker optischer Technologien von Canon steckt.“

Das RF 14mm F1.4 L VCM fängt Sterne mit bemerkenswerter Schärfe ein, sogar an den Rändern des Bildes. Dabei spielen die drei asphärischen GMo-Linsenelemente eine wichtige Rolle. Diese speziellen Linsen reduzieren das sagittale Koma-Streulicht – den Effekt, der Sterne und andere punktförmige Lichtquellen zu den Rändern hin gestreckt oder kometenförmig erscheinen lassen kann. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn das Objektiv weit geöffnet ist – genau die Kombination, die Astrofotografen oft suchen. Das Entwicklungsteam von Canon hat jedoch dafür gesorgt, dass das Objektiv selbst bei einer Lichtstärke von 1:1,4 über das gesamte Bild hinweg punktgenaue Sterne abbildet.

„Zwei dieser Linsenelemente befinden sich an der Vorderseite des Objektivs, die dritte in der hinteren Fokussierungsgruppe“, erklärt Tatsuro. „Die vorderste asphärische GMo-Linse hat einen grossen Durchmesser, was ihre Herstellung schwierig macht. In enger Zusammenarbeit mit unseren Produktionsstätten haben wir die Herausforderungen bei der Herstellung systematisch angegangen, eine nach der anderen.“

Das Team hat ausserdem eine UD-Linse und optische BR-Linsen eingebaut, um die chromatische Aberration weiter zu unterdrücken. Die optische BR-Linse (Blue Spectrum Refractive) wird aus Harz gegossen, erklärt Tatsuro, dann zwischen konvexen und konkaven Linsen eingefügt und in der Mitte des Objektivs, direkt hinter den Blendenlamellen, positioniert. „Diese Linse bricht die kürzeren Wellenlängen im blauen Bereich deutlich“, sagt er. „Auf diese Weise minimiert sie die chromatische Aberration von punktuellen Lichtquellen in der Nähe der Bildmitte.“

Die SWC-Vergütung (SubWavelength Structure Coating) und ASC-Vergütung (Air Sphere Coating) wurden ebenfalls auf ausgewählte Oberflächen aufgetragen, um Streulicht und Geisterbilder zu unterdrücken.

„Ultraweitwinkelobjektive haben oft ein grosses, vorstehendes Frontelement, durch das Licht aus verschiedenen Winkeln einfällt“, sagt Tatsuro. „In manchen Fällen können integrierte Gegenlichtblenden und Standardvergütungen Geisterbilder und Streulicht nicht vollständig verhindern.

„SWC ist eine besonders fortschrittliche Technologie, die die Reflexionen von Licht, das aus schrägen Winkeln in das Objektiv einfällt, deutlich reduziert. Diese spezielle Beschichtung bildet nanometergrosse Strukturen auf der Oberfläche des Objektivs, die eine starke Antireflexionsbeschichtung bilden.“

Er fügt hinzu, dass ASC besonders wirksam gegen Reflexionen von Licht ist, das in einem nahezu vertikalen Winkel einfällt. „ASC bildet einen Film aus Siliziumdioxid und Luft auf der Oberfläche des Objektivs. Durch die Einbindung von Luft – die einen niedrigeren Brechungsindex als optisches Glas hat – in einem bestimmten Verhältnis entsteht eine Beschichtung mit einem extrem niedrigen Brechungsindex.“

Das RF 14mmF1.4 L VCM betritt nicht nur in seiner optischen Konstruktion Neuland. Eines der Hauptziele des Teams war es, ein derart leistungsstarkes Festbrennweitenobjektiv so tragbar wie möglich zu machen.

„Die Verwendung eines VCM (Voice Coil Motor) Fokusaktuators – der allen RF Hybrid-Festbrennweitenobjektiven F1.4 L gemeinsam ist – reduziert die Grösse und das Gewicht dieser Objektive erheblich“, erklärt Naoki Saito, der für das elektrische Design des RF 14mm F1.4 L VCM verantwortlich war.

„Bislang konnten schwere Linsengruppen wie in diesem Objektiv nur mit einem Ring-USM bewegt werden. Da der Durchmesser eines Ringmotors den Mindestdurchmesser des Objektivs selbst bestimmt, ist es äusserst schwierig, ein kompaktes Objektiv mit dieser Motortechnologie zu konstruieren.“

Aus mechanischer Sicht erfordert der Ring-USM auch eine grössere Trägerstruktur, fügt Nobuyuki Nagaoka hinzu, der die mechanische Konstruktion des RF 14mm F1.4 L VCM geleitet hat. „Bei grossen Teleobjektiven ist das keine Herausforderung, aber wenn man die Objektivgrösse bei kürzeren Brennweiten reduzieren will, wird es zu einem echten Problem. Im Gegensatz dazu bietet ein VCM eine grössere Designfreiheit, indem er die Grösse und das Gewicht der Einheit reduziert und gleichzeitig die erforderliche hohe Kraft zum Bewegen der Linsengruppen bietet.“

Der begrenzte Platz, der für die internen strukturellen Komponenten – die sogenannte „Hauptbasis“ – zur Verfügung stand, stellte eine weitere Herausforderung dar, erklärt Nobuyuki. „Die grösste Herausforderung bei der mechanischen Konstruktion bestand darin, sicherzustellen, dass der Grundaufbau ausreichend stabil ist und gleichzeitig die Aktuatoren und flexiblen Leiterplatten aufnehmen kann“, erklärt er.

Aus diesem Grund hat Canon das RF 14mm F1.4 L VCM ausschliesslich für eine höhere Bildqualität entwickelt, wobei die Verzeichnung elektronisch von der Kamera korrigiert wird.

Die kamerainterne Objektivkorrektur der neuesten Kameras des EOS R Systems ist schnell und hocheffektiv, so dass sich die Entwickler von Canon auf die Optimierung der Objektive hinsichtlich Leistung und Tragbarkeit konzentrieren können.

„So haben wir eine optische Leistung erreicht, die der von Objektiven entspricht, die Verzeichnungen mit optischen Methoden beseitigen, und konnten gleichzeitig Grösse und Gewicht reduzieren“, fügt Tatsuro hinzu. „Dieses Objektivdesign ist nur möglich, weil Canon seine eigenen Objektive herstellt und sie so entwickeln kann, dass sie mit der Kamera Hand in Hand arbeiten.“

Das RF 14mm F1.4 L VCM bietet nicht nur eine herausragende Leistung für die professionelle Fotografie, sondern ist auch ein innovatives Hybridobjektiv, das speziell für die Video-Aufzeichnung entwickelt wurde. Es ist mit einem speziellen Blendenring ausgestattet, mit dem sich die Blende zum Beispiel während des Filmens sanft und leise verstellen lässt, sowie mit einer kreisförmigen 11-Lamellen-Blende für ein filmreifes Bokeh und Glanzlichter.

Die Konstrukteure des Objektivs haben sich auch darauf konzentriert, das Fokus-Breathing zu minimieren, um störende Verschiebungen im Sichtfeld zu unterdrücken, wenn das Objektiv hin und her fokussiert. Um dies zu erreichen, verwendeten sie eine andere optische Anordnung als bei den anderen RF Hybridobjektiven mit Festbrennweite – sie fügten ein weiteres Linsenelement zur Brennweitengruppe hinzu und bauten eine asphärische GMo-Konkavlinse ein.

„Aufgrund der Eigenschaften der Objektivkonstruktion gibt es oft einen Kompromiss zwischen der Verbesserung der optischen Leistung und der Unterdrückung des Fokus-Breathing“, erklärt Tatsuro. „Durch die sorgfältige Konfiguration der Objektivkonstruktion dieses Modells konnten wir jedoch sowohl eine hohe Bildqualität als auch eine Verringerung des Fokus-Breathing erreichen.“

Das Hinzufügen weiterer Linsen zur Brennweitengruppe erhöht zwangsläufig das Gewicht, aber wie Naoki betont, kommen hier die Fähigkeiten der Ingenieure für Elektronik und Mechanik von Canon ins Spiel.

„VCMs sind Aktuatoren, die eine hohe Schubkraft liefern und dabei geräusch- und vibrationsarm arbeiten. Die Steuerung ihres Betriebs erfordert jedoch ein hohes Mass an Raffinesse“, sagt er. „Es ist zum Beispiel eine sorgfältige und präzise Abstimmung erforderlich, um schwere Linsengruppen mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen und abrupt zu stoppen, ohne dabei Vibrationen zu verursachen. Bei Movie-Aufnahmen ist eine präzise Steuerung unerlässlich, um das Antriebsgeräusch auf ein absolutes Minimum zu beschränken. Canon konnte diese Herausforderungen durch die Entwicklung von Steuerungsalgorithmen und den Bau der mechanischen Strukturen, die sie ermöglichen, meistern.“

Das RF 14mm F1.4 L VCM ist ein Beweis für die Hingabe, das Können und die Erfahrung der Objektivingenieure von Canon. Es liefert ein aussergewöhnliches Bild aus einem überraschend leichtgewichtigen Design – Qualität ohne Quantität – und verändert die Erwartungen an das, was mit Ultraweitwinkelobjektiven mit grosser Blendenöffnung erreicht werden kann.

„Bei der Entwicklung dieses Objektivs wurde sorgfältig darauf geachtet, dass verschiedene Faktoren, einschliesslich der optischen Leistung, in Einklang gebracht werden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Aufnahme von Sternbildern lag“, erklärt Tatsuro. „Wir haben nach Möglichkeiten gesucht, verschiedene Arten von Abbildungsfehlern zu minimieren, die die Bildqualität beeinträchtigen, und das Ergebnis ist ein Objektiv, das scharfe, präzise Bilder bis an die Ränder des Bildes liefert.

„Unser Ziel ist es, Objektive zu entwickeln, mit denen Fotografen neue Möglichkeiten haben, sich auszudrücken, die bisher nicht möglich waren“, fügt er hinzu. „Wir versuchen, das Spektrum an Aufnahmemöglichkeiten zu erweitern, indem wir die neuesten Technologien nutzen, um Objektive zu entwickeln, die kleiner und leichter sind – Objektive, die eine herausragende Leistung bieten, ohne das Gewicht und die Sperrigkeit, die ihre Benutzer davon abhalten könnten, sie letztendlich auch wirklich zu nutzen. Wir sind sicher, dass das RF 14mm F1.4 L VCM ein solches Objektiv sein wird.“