フローライトレンズ、一般的な光学ガラスの限界を超える色収差補正
(global.canon)- Canonは蛍石ベースのフローライトを高純度の人工結晶として作り、一般的な光学ガラスだけでは低減が難しい色収差を補正するレンズ素材として活用している
- 色収差は、波長ごとの屈折差によって色ごとに焦点がずれる現象であり、凹・凸ガラスレンズの組み合わせだけでは残存色収差を完全に取り除くのは難しい
- フローライトは低屈折率・低分散・異常部分分散を備えており、高分散ガラスの凹レンズと組み合わせたときに残存色収差の補正効果が大きくなる
- Canonは1966年8月にF Projectを開始し、1968年にカメラレンズ用の大型人工結晶を作り、1969年5月にFL-F300mm f/5.6を発売した
- フローライトレンズは超望遠撮影で解像感とコントラストを高めるために使われており、2021年5月時点でCanonはFL-F300mm以降、フローライトレンズエレメントを使ったレンズをさらに39本生産している
フローライトがレンズ素材になった理由
- Canonレンズの高画質を支える素材の一つがフローライトであり、これはフッ化カルシウムの結晶形である
- ガラスレンズと併用すると、色収差を非常に低い水準まで抑えられる
- 天然フローライトはサイズが小さく、顕微鏡の対物レンズのような小型光学機器にしか適していなかった
- Canonは写真用レンズに適用するため、蛍石鉱石を原料に大型・高純度の人工フローライト結晶を作る技術開発に着手した
- 1969年5月に発売されたFL-F300mm f/5.6は、フローライトレンズエレメントを使用した世界初の消費者向け望遠レンズだった
色収差と補正原理
- 色収差は、被写体の輪郭に色の縁取りが出たり、画像全体がぼやけたりする形で現れることがある
- 光がガラス表面を通過するとき、赤・緑・青など異なる波長の光は異なる角度で屈折し、色ごとに焦点位置が変わる
- 一般に色収差は、光を互いに反対方向へ屈折させる凹レンズと凸レンズの組み合わせで補正する
- ただし一般的な光学ガラスだけではすべての波長の色収差をなくすことはできず、特定の波長で残存色収差が残る
- 光学ガラスの種類ごとに波長別の屈折率が変わるため、ガラスの組み合わせと特性だけで残存色収差を減らすには限界がある
フローライトの光学特性
- フローライトは従来の光学ガラスとは根本的に異なる素材であり、ガラスと組み合わせたときに色収差をより効果的に補正する
- 特に焦点距離が長く、色収差が大きくなる望遠レンズで効果が大きい
- Canonのフローライトレンズエレメントは天然フローライトを原料として使用し、ガラスレンズでは得にくい低屈折率と低分散特性を持つ
- フローライトは独特の異常部分分散の傾向を示す
- 赤から緑の波長まではガラスと同じ傾向で分散する
- 緑から青の波長まではガラスより大きく分散する
- 凸フローライトレンズエレメントと高分散ガラスの凹レンズエレメントを併用すると、残存色収差を除去し、シャープで高画質な画像を作ることができる
屈折と分散の違い
- 屈折は、光がガラスのような物質の表面を通過するときに方向が変わる現象である
- 方向変化の程度を屈折率と呼ぶ
- 屈折率は光の色の構成、つまり波長によって変わるため、各色は互いに異なる方向へ曲がる
- この現象が色分散である
- 光学ガラスでは波長に関係なく一定の比率で分散が発生するが、フローライトでは波長ごとの分散比率が変わり、これを異常部分分散と呼ぶ
Canon F Projectと人工結晶の生産
- フローライトレンズの起源は、1966年8月に始まったCanon F Projectにある
- Canonのレンズ開発者たちは、既存レンズより優れたレンズを作るには、まず新しい素材を作らなければならないと判断した
- 人工フローライト結晶生産の核心的な難題は結晶化だった
- ガラスは物質の状態を指す言葉で、非晶質であるため原子がランダムな位置に固定されており、溶かせば別の形に加工できる
- 一方、フローライトは結晶質物質なので、構成原子が特定の配列をなして初めて結晶化する
- 天然フローライトを粉砕・精製した後、原子構造を正確に復元し、カメラレンズに使えるほど大きく再結晶化する作業は、ほぼ不可能に近かった
- 開発者たちは少なくとも1,000℃が維持される精密制御の真空環境を確保する必要があり、高純度の大型結晶を人工生産する装置を設計した
- F Project開始から2年後の1968年、Canonはカメラレンズに使えるほど大きな人工フローライト結晶の作製に成功した
研磨と商用化
- フローライトレンズ生産のもう一つの課題は研磨だった
- フローライトはガラスより柔らかく繊細で、ガラス研磨に使う方法は適していなかった
- Canonは一般的な光学ガラスより最大4倍長い時間が必要な、フローライト専用の研磨技術を開発した
- この技術は1969年5月に商用化された
- 最初にフローライトレンズエレメントを採用した製品であるFL-F300mm f/5.6は、鮮やかで高コントラストな画像により高く評価され、報道写真のような専門分野で広く使われた
- その後、高温真空、温度制御、研磨技術が改善されるにつれて、より多くのレンズにフローライトレンズエレメントが採用された
フローライトレンズの生産工程
- 原料: フローライトレンズの原料は天然の蛍石鉱石である
- 粉砕と精製: 原料の蛍石を粉砕して不純物を取り除いた後、溶けにくい黒鉛るつぼに入れる
- 結晶化: るつぼを上部ヒーター付きの結晶成長装置に入れ、1,400℃に加熱する
- 原料のフローライトが溶けた後、るつぼをゆっくり下げると、るつぼの底から結晶化が進む
- アニーリング: 結晶内部の歪みを取り除く工程である
- 結晶が溶けない程度の高温に加熱した後、数週間かけて室温までゆっくり冷却し、亀裂につながり得る歪みを取り除く
- トリミングと粗加工: 結晶表面の不要な部分を切り落とし、必要な大きさに粗く加工した後、内部の異常の有無を検査する
- 研削: 結晶の上下表面を、すりガラスのように見える球面形状に削る
- 研磨: 固化した研磨剤ペレットで表面を半透明の状態と規定寸法に合わせて研磨した後、特殊研磨剤で微細な傷を取り除く
- 蒸着: 大気圧の100万分の1から1億分の1程度の高真空条件でコーティング物質を熱蒸発させ、研磨済みレンズ上に薄膜を形成する
- 完成検査: 熟練技術者が干渉計で純度を検査し、検査を通過したレンズエレメントだけがレンズ組立工程へ移る
採用レンズとユーザー層
- 2021年5月時点でCanonはFL-F300mm以降、フローライトレンズエレメントを採用したレンズをさらに39本生産している
- フローライトレンズエレメントは色収差補正だけでなく、製品のサイズと重量を抑えることにも寄与する
- この特性のため、大型望遠レンズに積極的に使用されている
- フローライトレンズは、超望遠の焦点距離で高画質を求める写真家に使われる
- プロのスポーツ写真家
- 報道写真家
- 野鳥、鉄道、航空機などを撮影する愛好家
- 2021年発売のレンズとしてはRF400mm F2.8 L IS USMとRF600mm F4 L IS USMがあり、それぞれフローライトレンズエレメントを2枚使用している
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
まだしっくりくる要約を見ていないので整理すると、材料の屈折率は通常、1.5前後の固定値が1つあるのではなく、波長によって変わる
回折は量子干渉のように、ある方向では強め合い、別の場所では打ち消し合うため、波長-屈折率のグラフは紫外線から赤外線へ向かうにつれて指数関数／漸近線のように単調減少する曲線になる
そのため凸レンズは、青では意図より倍率が高く、緑でも高く、赤では問題なく、厳密にはナトリウム蒸気の黄色でだけ合うので、焦点面に色のずれた収差画像を作る
これを補正するために、Schott BK7とF2のように屈折率の低下率が異なる組成の凸／凹レンズを組み合わせ、最初の凸レンズの青に対する過剰な正の屈折力を、後続の凹レンズの青に対する過剰な負の屈折力で相殺する
レンズの連なりをさらに増やせば、望むだけ追加の波長や副作用、ほかの欠陥まで補正できる
この文脈で**蛍石（CaF2）**が重要なのは、波長-屈折率のグラフがほぼ平坦な「異常分散」を示し、可視光全域の色をほぼ同じ位置に集められるため、多くの補正レンズを省けるから
ただし、カメラサイズの光学的に透明なフッ化カルシウム結晶を量産するのは難しく、Canonが数十年にわたって取り組んできた領域である
https://en.wikipedia.org/wiki/Folk_etymology
https://en.wiktionary.org/wiki/aberro#Latin
結晶成長の問題は1960年代に解決されており、今では一般的な技術
蛍石はFujiのレンズにも使われており、Nikon/Sonyも同じ問題に対処するための自社製特殊ガラスを持っている
屈折率は角度ではなく、入射角と屈折角から計算できる値: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law
付け加えると、屈折率は波長だけでなく光の偏光にも依存することがあり、それによって複屈折が生じる: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Birefringence
異常分散は通常anomalous dispersionと呼ばれ、正常分散のように波長が長いほど屈折率が低くなるのではなく、むしろ増加する場合を指す: https://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(optics)#Material_dispersion_in_optics
無分散材料があれば、それだけでレンズを作って色収差を避けられるはずだが、現実には存在しないので、異なる材料の分散を組み合わせて相殺する必要がある
蛍石は可視光領域で異常分散を示すのではなく、低分散を持つ
Canonは1960年代からカメラサイズのフッ化カルシウム結晶を成功裏に量産してきたようで、他社も同様
https://en.wikipedia.org/wiki/Fluoriteによれば、フッ化カルシウムは赤外線および紫外線領域で透明で、波長による屈折率の変化が非常に小さいため、実験室では窓材としてよく使われており、Canonなどは合成成長させたフッ化カルシウム結晶をレンズに使ってapochromatic設計を助け、光分散を減らしてきた
また、sodium、fluorite、calcium、fluorideはブランド名や固有名詞ではないため、英語ではドイツ語のように大文字で書かないのが正しい
分散がなぜ重要なのかについて分かりやすい説明を探していて、この記事が役に立った: https://www.targettamers.com/guides/apochromatic-lenses/
アポクロマートレンズは、2つの波長だけを最適化するアクロマートレンズと違い、3つの波長に最適化されたレンズ
昔は計算を手作業で行っていて、それ自体がすごいというわけではないが、それでもあれほど優れたレンズ設計が生まれたという点が驚き
現代のコンピューターは最適化を非常に高速にしてくれるが、計算はガラス材料の実際の物性に依存し、その物性はコストや耐久性なども同時に変わってくる
したがってコンピューターが連続的な屈折率/分散の範囲を自由に最適化するのではなく、ガラスメーカーがリスト化し、設計者がプログラムに指定した現実の離散的な材料だけを扱える
フッ素はコーティングとしても特殊な性質がある: https://www.digitalcameraworld.com/features/this-is-why-your-camera-lens-needs-a-fluorine-coating
組み立て時に必要な精度を下げ、要素を鏡筒に入れてほとんど補正なしで出荷できるようにするため
特に価格感度の高いキットレンズでよく使われる
全色性の白黒フィルムでも普通は満足できるが、カラーフィルムでは色収差が見え始める
アポクロマートレンズは青・緑・赤に対して補正される
紫外線と赤外線を含むより広いスペクトルに対して補正したレンズも可能で、Nikonは技術/科学用途向けにUV 105mm f4.5のようなレンズを作っていた
色収差には2種類あり、どちらも分散から生じる
軸上色収差は、波長ごとに焦点距離が異なり、完全なピント合わせができない場合。緑にピントを合わせると赤と青はピントが外れ、画像全体に影響し、後処理で直すのが非常に難しい
倍率色収差は、倍率が波長によって変わり、単一の固有な画像ができない場合。青の画像は緑より少し大きく、緑は赤より大きいため、光軸から遠い周辺部や四隅に色にじみとして現れる。赤/青のサブ画像を緑に合わせてリサイズする方法でアルゴリズム補正が可能
かなり奇妙なフラクタルレンズや複合レンズを見たことがある
蛍石レンズは驚くべきものだが、高倍率だったりシステムの速度限界に近づいたりするまでは、決定的な利点ではない
本当の違いが出るのは、VR手ブレ補正と組み合わさって4段以上のシャッター速度のメリットが得られるとき
被写体がそれほどシャープなら色収差が大きく感じられるか、蛍石のおかげでそうならずに済む
興味深いことに、最新の写真編集ツールはビネッティングやピンクッションのようなレンズ効果と色収差を、すべてソフトウェアで補正してくれる
1989年ごろのNikkor 70-210 f/4とフィルムで始めたころに比べると、今撮れる写真は驚くほどだ
個人的に本当の問題は、目を見張るほど良いカットが多すぎて、消化できる数に絞り込むこと
今どきの子どもたちはあまり感動しないかもしれないが、写真技術に注ぎ込まれた膨大な工学には謙虚な気持ちになる
RAWで撮りさえすれば、後処理で自動補正するのは些細なこと
だからサイズと重量が本当に負担になる長焦点の大型レンズで主に見かける
1975年に出たFD 300/2.8 S.S.C. Fluoriteレンズを持っているが、本当に素晴らしいレンズ
f/2.8の開放でも隅までシャープで、天体写真に卓越している
1枚でオリオン大星雲、馬頭星雲、アンドロメダ銀河の渦状腕のディテールまで収められる
屋外ポートレートにも優れていて背景をクリーミーにぼかしてくれるが、被写体と会話するにはスピーカーフォン通話が必要なほど離れることになる
当時の定価は420000円で、現在価値で5364ドル、私は中古で400ドルで買った
当時FDマウントレンズの価格は大きく下がっていたが、フランジバックが短すぎてDSLRにアダプトできなかったため
結局、レンズ後部全体を分解し、変換マウントを加工してDSLRで使えるようにした。アダプターリングは厚みが増えるのでだめだった
ミラーレス登場後、FDレンズは単純なアダプターリングで再び使えるようになり、中古価格がまた上がった
それでも最新のオートフォーカス同等レンズと光学性能を比べると、依然としてコスパはすばらしい。私のレンズは今eBayで約600〜1000ドル、新しいSony 300/2.8 GMは6000ドル
明るい大口径望遠レンズを探しているなら、マニュアルフォーカスで構わないという前提で、蛍石要素入りのFDレンズを強くおすすめする
750ドルで買ったので、それもものすごい掘り出し物だった
ただ、大口径望遠レンズの主な用途がスポーツと野生動物である以上、高速なオートフォーカスは決定的な機能
さらに現代のコンピューター最適化はレンズ重量を大きく減らし、重量配分を改善し、非の打ちどころのない画質まで提供するので、多くの人にとって6000ドルは十分に正当化される
Canon が蛍石素子を使っているとは知らなかった
毎日ひとつ学んでいるようなもので、素晴らしい
Canon の望遠レンズにはホログラフィック素子も入っていて、1990年ごろ、あるレンズ設計者が回折次数のペア（n と n+1）を互いの補正に使う賢いやり方を説明する講演を聞いたことがある
これにより、望ましくない回折次数による stray light（ゴースト）を発生させずに、ガラスと蛍石だけでなく回折分散も色補正に使えた
こうしたレンズは芸術品だ
最近、今日のレンズの光学素子が「単なるガラス」だけでなく、特別に設計されたプラスチック素子もよく含んでいることを知った
Gordon Laing の「Canon lens TEARDOWN! What's INSIDE a new lens?」動画: https://youtube.com/watch?v=YH5_nVRWHZ0
こんな分解記事もある: https://www.lensrentals.com/blog/2021/01/the-secret-of-the-broken-element-a-canon-rf-100-500mm-f4-7-7-1-teardown/
レプリカ非球面レンズ素子は、非球面表面の金型と紫外線硬化樹脂を使い、球面ガラスレンズの上に非球面の表面層を形成する方式で作られる
記事では、蛍石がなぜ色収差を減らすのかを説明してくれると期待していたが、残念ながら「そうである」と言うだけで、なぜそうなのかには詳しく踏み込んでいない
最初は屈折率がうまく合うからなのかと思ったが、ガラスとほとんど同じだ
これまで見つけた中でいちばんもっともらしい候補は群速度分散が逆だという点だが、それが何を意味するのか分かっていれば説明になったのかもしれない
同じ種類のガラスだけを使うと、オプティマイザがスペクトル全体にわたって色収差を補正する解を見つけるのは難しい
たとえば緑の収差を直そうと調整すると青が崩れる、といった具合だ
しかし蛍石のように色分散のパターンが異なる材料を使うと、オプティマイザに追加の自由度が生まれ、色ごとの収差をより独立に制御して高性能なレンズを作れる
蛍石は全体の分散が低いため収差が少なく、同時に分散曲線の形が独特なので制御の余地が増える
一般的なガラスはおおむね似た分散曲線を持つが、蛍石の奇妙な曲線形状が最適化関数に追加のレバーを与える
説明はこうだ。「ガラス線」上のガラスだけがあれば、2つの波長で焦点距離が同じレンズは作れるが、3つの波長では難しく、ガラス線から外れた材料が必要で、そのひとつがフッ化カルシウムである
アクリルやポリスチレンのような一部のプラスチックも使えるが、熱膨張などそれ自体の問題がある
2つの波長で焦点距離が同じということは、焦点距離対波長のグラフがおおよそ放物線であるという意味で、3つの波長で同じならグラフは三次曲線のようになる
ガラスは経済的で、よく研磨でき、透明で化学的に安定しており、シミができず、機械的に丈夫でなければならない
極端な屈折特性を持つ「エキゾチック」なガラスほど、全般的な物性が悪い傾向もあり、簡単な設計問題ではない
部分分散のおかげで自由度がもうひとつ増える
「赤-緑の波長はガラスと同じ傾向で分散するが、緑-青の波長はガラスよりも多く分散する。したがって高分散ガラスの凹レンズとともに凸の蛍石レンズ素子を使うと、残留色収差が除去される」という内容だ
Super UD と UD は長い間レンズ界の標準的な基準のひとつで、蛍石がそこに大きな役割を果たしている
追加で読むのに良い記事: https://www.canon-europe.com/pro/infobank/fluorite-aspherical-ud-lenses/
眼鏡レンズの話かと思ったのに、残念
数年間眼鏡をかけていたときは色収差をあまり気にしていなかったが、コンタクトレンズを使い始めたあとにまた眼鏡をかけると、特にレンズ周辺部で非常にはっきり見える
歪みの面でコンタクトレンズ並みの画質に近づけるには、眼鏡レンズもかなり高品質でなければならない
なぜ色収差を単にソフトウェアで補正しないのか、よく理解できない
赤・緑・青の画像が互いに少し異なる焦点位置とサイズを持つと分かっているなら、直すのは簡単そうに見える
静止シーンなら、色ごとにピントを合わせた写真を3枚撮って、互いのサイズを合わせるようにリスケールすればよい
動くシーンでは数学がもっと複雑になるだろうが、それでも大半の問題は直せるはずだ
本当の問題は「黄色」のように、異なる色の間の波長を持つ光だ
完璧な解決策は各ピクセルが分光計になることだけで、可変バンドギャップセンサーを使えばそれも可能に見える
多くのツールは撮影に使ったレンズの EXIF データと照合できるレンズデータベースを持っており、画像を適切な程度に自動調整する助けになる
色収差は空間解像度を低下させる