El diseño de lentes fotográficas para su uso en cámaras de fotos o de cine tiene como objetivo producir una lente que proporcione la reproducción más aceptable del sujeto que se está fotografiando dentro de una gama de restricciones que incluyen el costo, el peso y los materiales. Para muchos otros dispositivos ópticos, como telescopios , microscopios y teodolitos, donde la imagen visual se observa pero a menudo no se registra, el diseño a menudo puede ser significativamente más simple que en el caso de una cámara donde cada imagen se captura en película o sensor de imagen y puede estar sujeta a un escrutinio detallado en una etapa posterior. Las lentes fotográficas también incluyen aquellas que se usan en ampliadoras y proyectores.
Desde la perspectiva del fotógrafo, es importante que un objetivo capte suficiente luz para que la cámara pueda funcionar en una amplia gama de condiciones de iluminación. También es importante diseñar un objetivo que reproduzca el color con precisión, así como producir una imagen nítida y con iluminación uniforme en todo el plano de la película o del sensor.
Para el diseñador de lentes, lograr estos objetivos también implicará garantizar que el destello interno , las aberraciones ópticas y el peso se reduzcan al mínimo, mientras que las funciones de zoom , enfoque y apertura operan de manera fluida y predecible.
Sin embargo, debido a que las películas fotográficas y los sensores electrónicos tienen una resolución finita y medible, los objetivos fotográficos no siempre están diseñados para la máxima resolución posible, ya que el medio de grabación no podría registrar el nivel de detalle que el objetivo podría resolver. Por esta y muchas otras razones, los objetivos de las cámaras no son adecuados para su uso como lentes de proyector o de ampliadora .
El diseño de una lente de distancia focal fija (también conocida como lente prime ) presenta menos desafíos que el diseño de una lente con zoom. Una lente prime de alta calidad cuya distancia focal sea aproximadamente igual al diámetro del marco de la película o del sensor puede construirse a partir de tan solo cuatro elementos de lente separados, a menudo en pares a cada lado del diafragma de apertura. Buenos ejemplos incluyen el Zeiss Tessar o el Leitz Elmar .
Para ser útil en fotografía, cualquier lente debe poder adaptarse a la cámara para la que está destinado y esto limitará físicamente el tamaño donde se ubicará el montaje de bayoneta o de tornillo .
La fotografía es un negocio comercial altamente competitivo y tanto el peso como el costo limitan la producción de lentes.
Los materiales refractivos, como el vidrio, tienen limitaciones físicas que limitan el rendimiento de las lentes. En particular, el rango de índices de refracción disponible en las gafas comerciales abarca un rango muy estrecho. Dado que es el índice de refracción el que determina cuánto se desvían los rayos de luz en cada interfaz y dado que son las diferencias en los índices de refracción en lentes con pares positivos y negativos las que limitan la capacidad de minimizar las aberraciones cromáticas , tener solo un espectro estrecho de índices es una importante restricción de diseño.
A excepción de las lentes más simples y económicas, cada lente completa está formada por una serie de elementos de lente separados dispuestos a lo largo de un eje común. El uso de muchos elementos de lente sirve para minimizar las aberraciones y proporcionar una imagen nítida sin distorsiones visibles. Para hacer esto se requieren elementos de lente de diferentes composiciones y formas. Para minimizar las aberraciones cromáticas, por ejemplo, en las que diferentes longitudes de onda de luz se refractan en diferentes grados, se requiere, como mínimo, un doblete de elementos de lente con un elemento positivo que tenga un número de Abbe alto emparejado con un elemento negativo de número de Abbe más bajo. Con este diseño se puede lograr un buen grado de convergencia de diferentes longitudes de onda en el espectro visible . La mayoría de los diseños de lentes no intentan llevar las longitudes de onda infrarrojas al mismo foco común y, por lo tanto, es necesario alterar manualmente el foco cuando se fotografía con luz infrarroja. Otros tipos de aberraciones, como el coma o el astigmatismo , también se pueden minimizar mediante una elección cuidadosa de la curvatura de las caras de la lente para todos los elementos componentes. Las lentes fotográficas complejas pueden constar de más de 15 elementos de lente.
La mayoría de los elementos de las lentes están fabricados con superficies curvas con un perfil esférico . Es decir, la forma curva encajaría en la superficie de una esfera. Esto se debe en parte a la historia de la fabricación de lentes, pero también a que el pulido y la fabricación de lentes con superficie esférica es relativamente simple y barato. Sin embargo, las superficies esféricas también dan lugar a aberraciones en las lentes y pueden dar lugar a diseños de lentes complicados de gran tamaño. Se pueden lograr lentes de mayor calidad con menos elementos y menor tamaño utilizando lentes asféricas en las que las superficies curvas no son esféricas, lo que brinda más grados de libertad para corregir las aberraciones.
La mayoría de los lentes fotográficos tienen elementos de lente hechos de vidrio, aunque el uso de plásticos de alta calidad se está volviendo más común en lentes de alta calidad y ha sido común en cámaras económicas durante algún tiempo. El diseño de lentes fotográficas es muy exigente ya que los diseñadores superan los límites de los materiales existentes para hacer lentes más versátiles, de mejor calidad y más livianas. Como consecuencia, se han utilizado muchos vidrios exóticos en la fabricación de lentes modernas. Actualmente se utilizan lentes de vidrio de cesio [1] y lantano [2] debido a su alto índice de refracción y propiedades de dispersión muy bajas. También es probable que se utilicen otros vidrios de elementos de transición, pero los fabricantes a menudo prefieren mantener en secreto las especificaciones de sus materiales para conservar una ventaja comercial o de rendimiento sobre los competidores.
Hasta hace unos años, el enfoque de la lente de una cámara para lograr una imagen nítida en el plano de la película se lograba mediante una rosca helicoidal muy poco profunda en la montura de la lente a través de la cual se podía girar la lente, acercándola o alejándola del plano de la película. Esta disposición, aunque simple de diseñar y construir, tiene algunas limitaciones, en particular la rotación de la mayor parte del conjunto de lentes, incluido el elemento frontal. Esto podría ser problemático si se utilizan dispositivos como filtros polarizadores que requieren una orientación rotacional precisa independientemente de la distancia de enfoque.
Los desarrollos posteriores adoptaron diseños en los que los elementos internos se movían para lograr el enfoque sin afectar el cilindro exterior de la lente ni la orientación del elemento frontal.
Muchas cámaras modernas utilizan ahora mecanismos de enfoque automático que utilizan motores ultrasónicos para mover elementos internos de la lente y lograr un enfoque óptimo.
El control de apertura, generalmente un diafragma de varias láminas, es fundamental para el rendimiento de un objetivo. La función de la apertura es controlar la cantidad de luz que pasa a través del objetivo hacia el plano de la película o del sensor. Una apertura colocada fuera del objetivo, como en el caso de algunas cámaras victorianas , corre el riesgo de que la imagen se viñetee, en la que las esquinas de la imagen son más oscuras que el centro. Un diafragma demasiado cerca del plano de la imagen corre el riesgo de que el propio diafragma se registre como una forma circular o, como mínimo, provoque patrones de difracción en aperturas pequeñas. En la mayoría de los diseños de objetivos, la apertura se coloca aproximadamente a mitad de camino entre la superficie frontal del objetivo y el plano de la imagen. En algunos objetivos con zoom, se coloca a cierta distancia de la ubicación ideal para acomodar el movimiento de los elementos flotantes del objetivo necesarios para realizar la función de zoom.
La mayoría de los objetivos modernos para formato de 35 mm rara vez ofrecen un diafragma menor que f/22 debido a los efectos de difracción causados por la luz que pasa a través de una abertura muy pequeña. Como la difracción se basa en el ancho de la abertura en términos absolutos en lugar de la relación f-stop, los objetivos para formatos muy pequeños comunes en las cámaras compactas rara vez superan f/11 (1/1,8") o f/8 (1/2,5"), mientras que los objetivos para formato medio y grande ofrecen f/64 o f/128.
Las lentes de apertura muy grande diseñadas para ser útiles en condiciones de muy poca luz con aperturas que van desde f/1.2 a f/0.9 generalmente se limitan a lentes de longitud focal estándar debido a los problemas de tamaño y peso que se encontrarían en lentes telefoto y la dificultad de construir una lente gran angular de apertura muy amplia con los materiales refractivos disponibles actualmente. Las lentes de apertura muy grande se fabrican comúnmente para otros tipos de instrumentos ópticos como microscopios, pero en tales casos el diámetro de la lente es muy pequeño y el peso no es un problema.
Muchas de las primeras cámaras tenían diafragmas externos a la lente que a menudo consistían en una placa circular giratoria con una serie de agujeros de tamaño creciente perforados a través de la placa. [3] Al girar la placa se obtenía un agujero del tamaño adecuado delante de la lente. Todas las lentes modernas utilizan un diafragma de varias láminas, de modo que en la intersección central de las láminas se forma una abertura más o menos circular. Un anillo manual o un motor electrónico controlan el ángulo de las láminas del diafragma y, por lo tanto, el tamaño de la abertura.
La colocación del diafragma dentro de la estructura de la lente está limitada por la necesidad de lograr una iluminación uniforme en todo el plano de la película en todas las aberturas y el requisito de no interferir con el movimiento de ningún elemento móvil de la lente. Normalmente, el diafragma se sitúa aproximadamente al nivel del centro óptico de la lente.
Un obturador controla el tiempo que se permite que la luz pase a través de la lente hacia el plano de la película. Para cualquier intensidad de luz dada, cuanto más sensible sea la película o el detector o cuanto más amplia sea la apertura, más corto debe ser el tiempo de exposición para mantener la exposición óptima. En las primeras cámaras, las exposiciones se controlaban moviendo una placa giratoria desde delante de la lente y luego reemplazándola. Este mecanismo solo funciona de manera efectiva para exposiciones de varios segundos o más y conlleva un riesgo considerable de inducir movimiento de la cámara . A fines del siglo XIX, se usaban mecanismos de obturador tensados por resorte que se operaban con una palanca o un disparador de cable . Algunos obturadores simples continuaron colocándose frente a la lente, pero la mayoría estaban incorporados dentro de la propia montura de la lente. Tales lentes con mecanismos de obturador integrados se desarrollaron en el obturador Compur actual que se usa en muchas cámaras no réflex como Linhof . Estos obturadores tienen una serie de hojas de metal que se abren y se cierran después de un intervalo predeterminado. Las restricciones de material y diseño limitan la velocidad más corta a aproximadamente 0,002 segundos. Aunque estos obturadores no pueden ofrecer un tiempo de exposición tan corto como el obturador de plano focal, pueden ofrecer sincronización del flash a todas las velocidades.
La incorporación de un obturador tipo Compur de fabricación comercial requirió que los diseñadores de lentes acomodaran el ancho del mecanismo del obturador en la montura del lente y proporcionaran los medios para activar el obturador en el cilindro del lente o transferirlo al cuerpo de la cámara mediante una serie de palancas como en las cámaras de lente doble Minolta .
La necesidad de acomodar el mecanismo del obturador dentro del cuerpo del objetivo limitó el diseño de lentes gran angular y no fue hasta el uso generalizado de obturadores de plano focal que se desarrollaron lentes gran angular extremos.
El tipo de lente que se diseña es importante para establecer los parámetros clave.
Las lentes que se utilizan en las ampliadoras fotográficas deben enfocar la luz que pasa a través de un área relativamente pequeña de la película sobre un área más grande de papel o película fotográfica. Los requisitos para dichas lentes incluyen:
El diseño de la lente debe funcionar de manera eficaz cuando la luz pasa del foco cercano al foco lejano, exactamente al revés que en una lente de cámara. Esto exige que la deflexión de luz interna dentro de la lente esté diseñada de manera diferente y que los elementos individuales de la lente estén diseñados para maximizar el rendimiento para este cambio de dirección de la luz incidente.
Las lentes para proyectores comparten muchas de las limitaciones de diseño de las lentes para ampliadoras, pero presentan algunas diferencias fundamentales. Las lentes para proyectores se utilizan siempre con la apertura máxima y deben producir una imagen con una iluminación y una nitidez aceptables con la apertura máxima.
Sin embargo, como las imágenes proyectadas casi siempre se ven a cierta distancia, la falta de un enfoque muy preciso y una ligera irregularidad en la iluminación suelen ser aceptables. Las lentes de los proyectores deben ser muy tolerantes a las altas temperaturas prolongadas de la lámpara del proyector y, con frecuencia, tienen una distancia focal mucho mayor que la de la lente que capta la imagen. Esto permite colocar la lente a una mayor distancia de la película iluminada y permite obtener una imagen de tamaño aceptable con el proyector a cierta distancia de la pantalla. También permite montar la lente en un soporte de enfoque con una rosca relativamente gruesa para que el proyeccionista pueda corregir rápidamente cualquier error de enfoque.
Las lentes de las primeras cámaras eran simples lentes de menisco o biconvexas. No fue hasta 1840 que Chevalier, en Francia, introdujo la lente acromática formada mediante la unión de una lente biconvexa de vidrio Crown a una lente plano-cóncava de vidrio Flint . En 1841, Voigtländer, utilizando el diseño de Joseph Petzval, fabricó la primera lente de dos elementos que tuvo éxito comercial.
Carl Zeiss era un empresario que necesitaba un diseñador competente para llevar su empresa más allá de un simple taller de óptica. En 1866, contrató los servicios del Dr. Ernst Abbe. A partir de entonces, aparecieron rápidamente nuevos productos que llevaron a la empresa Zeiss a la vanguardia de la tecnología óptica.
Abbe contribuyó decisivamente al desarrollo del famoso vidrio óptico de Jena. Cuando intentaba eliminar el astigmatismo de los microscopios, se dio cuenta de que la gama de vidrios ópticos disponibles era insuficiente. Tras realizar algunos cálculos, se dio cuenta de que el rendimiento de los instrumentos ópticos mejoraría drásticamente si se disponía de vidrios ópticos con las propiedades adecuadas. Su desafío a los fabricantes de vidrio fue finalmente respondido por el Dr. Otto Schott, quien estableció la famosa cristalería en Jena , de donde comenzaron a aparecer nuevos tipos de vidrio óptico a partir de 1888, que fueron utilizados por Zeiss y otros fabricantes.
El nuevo vidrio óptico de Jena también abrió la posibilidad de aumentar el rendimiento de las lentes fotográficas. El primer uso del vidrio de Jena en una lente fotográfica fue por Voigtländer , pero como la lente era un diseño antiguo, su rendimiento no mejoró mucho. Posteriormente, los nuevos vidrios demostrarían su valor en la corrección del astigmatismo y en la producción de lentes acromáticas y apocromáticas . Abbé comenzó el diseño de una lente fotográfica de diseño simétrico con cinco elementos, pero no fue más allá.
El diseño innovador de la lente fotográfica de Zeiss se debe al Dr. Paul Rudolph . En 1890, Rudolph diseñó una lente asimétrica con un grupo cementado a cada lado del diafragma, y apropiadamente llamada "Anastigmat". Esta lente se fabricó en tres series: Serie III, IV y V, con aperturas máximas de f/7.2, f/12.5 y f/18 respectivamente. En 1891, aparecieron las Series I, II y IIIa con aperturas máximas respectivas de f/4.5, f/6.3 y f/9 y en 1893 llegó la Serie IIa con apertura máxima de f/8. Estas lentes son ahora más conocidas por la marca registrada "Protar", que se utilizó por primera vez en 1900.
En aquella época, todavía eran populares las lentes de combinación única, que ocupan solo un lado del diafragma. Rudolph diseñó una con tres elementos cementados en 1893, con la opción de montar dos de ellos juntos en un cuerpo de lente como lente compuesta, pero se descubrió que era la misma que la Dagor de CP Goerz , diseñada por Emil von Höegh . Rudolph luego ideó una combinación única con cuatro elementos cementados, que puede considerarse como tener todos los elementos del Protar pegados en una sola pieza. Comercializada en 1894, se llamó Protarlinse Series VII, la lente de combinación única más altamente corregida con aperturas máximas entre f/11 y f/12.5, dependiendo de su distancia focal.
Pero lo importante de este Protarlinse es que dos de estas unidades de lentes se pueden montar en el mismo cuerpo del objetivo para formar una lente compuesta de aún mayor rendimiento y mayor apertura, entre f/6.3 y f/7.7. En esta configuración se denominó Double Protar Series VIIa. De este modo, se puede obtener una inmensa gama de longitudes focales mediante la combinación de varias unidades Protarlinse.
Rudolph también investigó el concepto de doble Gauss de un diseño simétrico con meniscos positivos delgados que encierran elementos negativos. El resultado fue la Serie Planar Ia de 1896, con aperturas máximas de hasta f/3,5, una de las lentes más rápidas de su tiempo. Si bien era muy nítida, sufría de coma , lo que limitó su popularidad. Sin embargo, desarrollos posteriores de esta configuración la convirtieron en el diseño elegido para lentes de alta velocidad de cobertura estándar.
Probablemente inspirado en las lentes Stigmatic diseñadas por Hugh Aldis para Dallmeyer de Londres, Rudolph diseñó una nueva lente asimétrica con cuatro elementos delgados, la Unar Serie Ib, con aperturas de hasta f/4.5. Debido a su alta velocidad, se utilizó ampliamente en cámaras de mano.
El objetivo Zeiss más importante de Rudolph fue el Tessar , que se comercializó por primera vez en 1902 en su forma Serie IIb f/6,3. Se puede decir que era una combinación de la mitad delantera del Unar con la mitad trasera del Protar. Este resultó ser un diseño muy valioso y flexible, con un enorme potencial de desarrollo. Su apertura máxima se aumentó a f/4,7 en 1917 y alcanzó f/2,7 en 1930. Es probable que todos los fabricantes de objetivos hayan producido objetivos de la configuración Tessar.
Rudolph abandonó Zeiss después de la Primera Guerra Mundial, pero muchos otros diseñadores competentes, como Merté, Wandersleb, etc., mantuvieron a la empresa a la vanguardia de las innovaciones en lentes fotográficas. Uno de los diseñadores más importantes fue el exmiembro de Ernemann, el Dr. Ludwig Bertele , famoso por su lente de alta velocidad Ernostar.
Con la llegada de la Contax de Zeiss-Ikon, el primer desafío serio para la Leica en el campo de las cámaras profesionales de 35 mm, tanto Zeiss-Ikon como Carl Zeiss decidieron superar a la Leica en todos los aspectos posibles. La serie de objetivos Sonnar de Bertele , diseñados para la Contax, fueron un rival en todos los aspectos para la Leica durante al menos dos décadas. Otros objetivos para la Contax fueron el Biotar, el Biogon, el Orthometar y varios Tessars y Triotars.
La última innovación importante de Zeiss antes de la Segunda Guerra Mundial fue la técnica de aplicar un revestimiento antirreflejo a las superficies de las lentes, inventada por Olexander Smakula en 1935. [8] Las lentes tratadas de esta manera se marcaban con una "T" roja, abreviatura de "Transparente". La técnica de aplicar múltiples capas de revestimiento también se describió en los escritos originales de la patente en 1935. [9]
Tras la división de Alemania, se fundó una nueva empresa óptica Carl Zeiss en Oberkochen , mientras que la firma Zeiss original en Jena siguió funcionando. Al principio, ambas empresas producían líneas de productos muy similares y cooperaban ampliamente en el intercambio de productos, pero se distanciaron con el paso del tiempo. La nueva dirección de Jena fue concentrarse en el desarrollo de lentes para la cámara réflex de lente única de 35 mm, y se lograron muchos logros, especialmente en diseños de gran angular. Además de eso, Oberkochen también trabajó en el diseño de lentes para cámaras de gran formato, lentes de elemento frontal intercambiables como para la réflex de lente única de 35 mm Contaflex y otros tipos de cámaras.
Desde sus inicios como fabricante de lentes fotográficas, Zeiss ha tenido un programa de licencias que permite a otros fabricantes producir sus lentes. A lo largo de los años, sus licenciatarios incluyeron a Voigtländer , Bausch & Lomb , Ross, Koristka, Krauss, Kodak , etc. En la década de 1970, la operación occidental de Zeiss-Ikon se unió a Yashica para producir las nuevas cámaras Contax , y muchos de los lentes Zeiss para esta cámara, entre otros, fueron producidos por el brazo óptico de Yashica, Tomioka. El propietario de Yashica, Kyocera, finalizó la producción de cámaras en 2006. Los lentes Yashica fueron fabricados por Cosina , que también fabricó la mayoría de los nuevos diseños Zeiss para la nueva cámara con telémetro acoplado Zeiss Ikon. Otro licenciatario activo en la actualidad es Sony , que utiliza el nombre Zeiss en los lentes de sus cámaras de video y cámaras digitales.