Trong Phần 2 của câu chuyện đằng sau quá trình phát triển ống kính EF200-400mm f/4L IS USM Extender 1.4x, chúng ta tìm hiểu quy trình thử nghiệm rất nghiêm ngặt mà ống kính này đã trải qua trước khi được công bố. Thử nghiệm lặp đi lặp lại là chìa khóa đối với chất lượng hình ảnh cao và độ bền cao của ống kính đánh dấu kỷ nguyên này.

Trang: 1 2

Chương Trình Thứ 1

Quá trình phát triển nhiều thử thách

Chiếc ống kính được sản xuất bằng tri giác của con người

Trung Tâm Nghiên Cứu & Phát Triển Thiết Bị Quang Học tại Utsunomiya được giao trách nhiệm phát triển ống kính EF200-400mm f/4L IS USM Extender 1.4x, một ống kính zoom cực xa với bộ mở rộng tích hợp cung cấp chất lượng hình ảnh cực cao cạnh tranh với các ống kính một tiêu cự.

Quá trình phát triển ống kính bắt đầu với thiết kế quang học. Các thành viên của ban thiết kế quang học đã sắn tay đối mặt với một thử thách lớn nhưng đáng giá. Khắc phục sắc sai là một khó khăn rất lớn trong thiết kế các hệ thống quang học đối với các ống kính chụp xa. Với chiếc ống kính mới này, không chỉ cần phải kiểm soát kỹ hiện tượng sắc sai, mà còn phải giảm thiểu giao động ở các quang sai khác gây ra bởi chức năng zoom.

Việc này nói dễ hơn làm. Việc lắp một bộ mở rộng 1.4x cũng làm tăng quang sai đến 1,4 lần, nghĩa là chất lượng hình ảnh cao đối với phạm vi 200-400mm sẽ là không đủ. Cũng phải đạt được chất lượng hình ảnh đích ở khoảng cách lấy nét tối đa là 560mm.

Các thấu kính fluorite và các thấu kính UD thường được sử dụng để giảm sắc sai. Việc bố trí những ống kính đặc biệt này sẽ là chìa khóa để giảm giao động về mức sắc sai trong toàn bộ phạm vi zoom. Các nhà thiết kế hệ thống quang học đã làm việc với một ứng dụng CAD (Thiết Kế Có Máy Tính Hỗ Trợ) quang học ngày này qua ngày khác để xác định sự kết hợp và bố trí thấu kính lý tưởng.

Hệ thống CAD quang học là một ứng dụng hỗ trợ thiết kế quang học điện toán hóa, có phần mềm mô phỏng và các công cụ công nghệ khác nhau do Canon phát triển. Hệ thống này giúp các nhà thiết kế hiện thực hóa hiệu suất quang học đích một cách chính xác và hiệu quả.

Nhưng cuối cùng, CAD quang học không là gì ngoài một công cụ cho phép các nhà thiết kế đúc khuôn thấu kính phản ánh những ý định của mình. Điều này là thấy rõ từ việc giải pháp hiệu quả nhất do phần mềm mô phỏng có thể không nhất thiết tạo ra kết quả tốt nhất theo đánh giá của mắt người.

Việc giải quyết những vấn đề như cách kết hợp các thấu kính hiệu quả nhất, và giải pháp gì là lý tưởng nhất đối với một thấu kính cụ thể, đòi hỏi nhiều hơn khả năng của máy tính và phần mềm. Nó đòi hỏi kiến thức nhiều năm tại Canon cũng như tri giác và óc phán đoán của các nhà thiết kế quang học.

Các nhà thiết kế đã theo đuổi cách kết hợp và bố trí hiệu quả nhất bằng cách sử dụng CAD quang học một cách không mệt mỏi. Đó là một quy trình thử và tìm lỗi liên tục. Nhưng việc thiết kế chiếc ống kính zoom cực xa đầu tiên trên thế giới với một bộ mở rộng tích hợp không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Thử thách của họ vẫn tiếp tục.

33 thấu kính chia làm 24 nhóm - số lượng cao nhất trong các thấu kính EF series

Ngay từ đầu của quá trình phát triển, đã xác định rằng bộ mở rộng tích hợp sẽ được vận hành thủ công, vì không có bộ dẫn động nào có thể sánh bằng bàn tay con người về mặt tốc độ và phản ứng. Dùng một bộ mở rộng thủ công cũng là hợp lý về mặt độ tin cậy và tính ổn định.

Một trong những vấn đề lớn tại giai đoạn thiết kế quang học là xác định vị trí cần đặt bộ mở rộng, có cân nhắc giảm thiểu quang sai tối đa. Thông thường, các bộ mở rộng sẽ làm tăng tổng chiều dài của ống kính, làm tăng khoảng cách của trục quang từ ống kính đến mặt phẳng lấy nét. Nhưng một bộ mở rộng tích hợp phải làm tăng phạm vi độ dài tiêu cự bằng cách sử dụng khả năng khúc xạ của ống kính, nhờ đó củng cố chỉ số khúc xạ công suất cao của các nhóm thấu kính của nó có thể đã khuếch đại quang sai có được.

Các nhà thiết kế quang học cho rằng cách bố trí tốt nhất cho nhóm thấu kính của bộ mở rộng sẽ được xác định một cách tự nhiên nếu ống kính mới được thay đổi giữa các phạm vi tiêu cự 200-400mm và 280mm-560mm bằng cách hoán đổi các nhóm thấu kính tại vị trí ở đó tác động của quang sai là tối thiểu.

Các nhà thiết kế đã đi đến một bộ mở rộng gồm có 8 thấu kính chia làm 4 nhóm. Hệ thống quang học tối ưu hóa này đã được chọn sau khi các nhà thiết kế chú ý đến vấn đề quang sai. Nhưng hóa ra là nhóm thấu kính của bộ mở rộng quá lớn và làm ảnh hưởng đến hệ thống quang học cho thiết bị cân bằng hình ảnh trong ống kính. Tuy nhiên, các nhà thiết kế đã kiên trì tiến hành bố trí nhóm thấu kính của bộ mở rộng, yêu cầu các nhà thiết kế cơ học phát triển một thiết bị ổn định hình ảnh mỏng hơn.

Khi thành phần các thấu kính và các nhóm thấu kính được hoàn thiện, ống kính EF200-400mm f/4L IS USM Extender 1.4x có 25 thấu kính chia làm 20 nhóm để sử dụng bình thường. Tuy nhiên, một khi đã lắp bộ mở rộng, con số này nhảy lên 33 thấu kính chia làm 24 nhóm - số thấu kính và nhóm lớn nhất trong lịch sử ống kính EF.

Các kỹ năng thủ công giúp cho có thể thiết kế nhóm ống kính lớn về mặt cơ học

Với quá trình thiết kế quang học hoàn tất, quy trình phát triển chuyển sang giai đoạn thiết kế cơ học, trong đó thử thách lớn nhất là cách di chuyển một nhóm thấu kính lớn, thứ hai với độ chính xác cao.

Nếu bạn xoay vòng zoom trong khi nhìn vào ống kính EF200-400mm f/4L IS USM Extender 1.4x qua thấu kính ngoài cùng, bạn có thể thấy lượng lớn kính di chuyển tới lui trong một khoảng cách đáng kể. Khối lượng này là nhóm thấu kính thứ hai - chìa khóa quang học đối với tỉ lệ zoom và chất lượng hình ảnh.

Nhóm thứ hai của ống kính này trở nên rất nặng, với tổng trọng lượng thủy tinh cao hơn 200g/7 oz. Không có ống kính EF nào trước đây đã được sản xuất để di chuyển khối lượng thủy tinh nặng như thế một cách mượt mà.

Để khắc phục khó khăn này, vành ống kính cam zoom di chuyển các thấu kính và khung đỡ vành ống kính phải chắc hơn. Các nhà thiết kế cơ học đã nghiên cứu các vật liệu, hình dạng và hoàn thiện bề mặt khác nhau cho các bộ phận. Không có tiêu chuẩn thiết kế nào để giải quyết khối lượng thủy tinh trên 200g. Do đó, các nhà thiết kế đã phác thảo những số liệu xấp xỉ dựa trên kinh nghiệm của mình và nhập số liệu vào hệ thống CAD 3D. Chỉ tập trung đạt được sức chịu đầy đủ cho phần xung quanh nhóm thấu kính chuyển động sẽ có khả năng dẫn đến một ống kính lớn, nặng, rất chắc. Để tránh kết quả như thế, điều quan trọng là phải đạt được sự cân bằng phù hợp ở mọi mặt, bao gồm sự bố trí bộ dẫn động và khuếch tán ứng lực nếu ống kính phải chịu được lực đập gây ra nếu vô tình bị rơi.

Số bộ phận tăng lên hơn gấp đôi so với một ống kính một tiêu cự cực xa truyền thống. Các nhà thiết kế đã vẽ nhiều bộ phận với nhiều hình dạng mà trước đây họ chưa từng thấy trên màn hình CAD 3D. Họ tin rằng họ sẽ đến gần mục tiêu hiện thực hóa một ống kính mới, có độ tin cậy cao và dễ sử dụng hơn nếu họ kết hợp các bộ phận có hình dạng độc đáo đó.

Thiết kế phức tạp của ống kính mới gồm có gần 900 bộ phận, lập kỷ lục đối với ống kính EF series. Vì phạm vi thiết kế rất lớn, các nhà thiết kế phải lặp đi lặp lại quá trình mô phỏng tốc độ cao. Chúng tôi càng làm việc, khó khăn của chúng tôi càng lớn khi chúng tôi nhận ra dự án này khó khăn đến mức nào, một nhà thiết kế cơ học nhớ lại.

Kinh nghiệm và kiến thức của các nhà thiết kế cơ học đã lấp những khoảng trống mà các mô phỏng không thể giải quyết. Dựa trên vô số ví dụ trong quá khứ về phát triển ống kính, các nhà thiết kế cơ học đã xác định độ dày của từng bộ phận phải là bao nhiêu, khoảng cách giữa các bộ phận và vô số các tham số khác. Ở đây, thiết kế cơ học đã được thực hiện với tay nghề thủ công.

Rất nhiều thời gian dành cho bản nguyên mẫu và các quy trình thử nghiệm

Cách duy nhất để kiểm tra tính đầy đủ của một thiết kế là tiến hành thử nghiệm và phân tích kết quả. Canon đã phát triển một số tiêu chí thử nghiệm và tiêu chuẩn đánh giá đối với các điều kiện liên quan đến môi trường, khả năng chống sốc và rung, độ bền và những lĩnh vực khác.

Các thành viên trong đội phụ trách đánh giá chất lượng đã tiếp cận ống kính mới này một cách cực kỳ thận trọng. Do số thấu kính chưa từng có và cấu trúc cơ học phức tạp, ống kính này có thể đã đặt ra các vấn đề.

Quan ngại này đòi hỏi nhân viên đánh giá chất lượng phải quyết định rằng họ sẽ tiến hành những thử nghiệm về độ tin cậy một cách nghiêm ngặt, lặp đi lặp lại, dùng các môi trường hoạt động khắc nghiệt nhất có thể dành cho các nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp.

Ví dụ như, đội ngũ phát triển đã dành ra nhiều ngày bật tắt cần thao tác bộ mở rộng hàng ngàn lần để xác định giới hạn hoạt động của cơ chế đưa vào-lấy ra của bộ mở rộng.

Để kiểm nghiệm khả năng chống sốc khi rơi của ống kính, ống kính nguyên mẫu đã được để rơi trong khi vẫn gắn vào máy ảnh. Trong phòng thử nghiệm, một âm thanh mà các nhiếp ảnh gia rất sợ đã diễn ra nhiều lần khi ống kính nguyên mẫu và máy ảnh được để rơi lên sàn.

Các ống kính nguyên mẫu đã đạt yêu cầu đối với những thử nghiệm khắt khe này sẽ trải qua một loạt thử nghiệm đánh giá chất lượng hình ảnh. Để đảm bảo chất lượng hình ảnh cao ở toàn bộ dải zoom, độ phân giải hình ảnh, độ tương phản và giao động quang sai đã được kiểm tra khi độ dài tiêu cự được thay đổi ở những bước nhỏ. Sau đó, toàn bộ quy trình được lặp lại khi có gắn bộ mở rộng. Việc tạo ra một nguyên mẫu duy nhất của ống kính mới này đòi hỏi rất nhiều thời gian và công sức tương đương với mức cần để phát triển nhiều ống kính zoom truyền thống. Sau đó, trên một tháng được dành ra để kiểm nghiệm nguyên mẫu.

Các nhà thiết kế cơ học đã thu thập kết quả thử nghiệm để tái phân tích và tái thiết kế. Điều này dẫn đến việc tạo ra một nguyên mẫu mới khác, cũng trải qua những thử nghiệm. Thời gian trôi qua trong toàn bộ chu kỳ lặp đi lặp lại này khi hàng tá nguyên mẫu được phát triển.

Trí tuệ được các nhà thiết kế đưa vào ống kính mới này

Ống kính EF là các sản phẩm tổng hợp gồm có các thành phần quang học, cơ học và điện tử. Vì lý do này, thiết kế các mạch điều khiển điện tử cho một chiếc ống kính mới bắt đầu ở các giai đoạn ban đầu của quá trình phát triển sản phẩm.

Mỗi ống kính EF lưu một lượng lớn dữ liệu trên bộ nhớ ROM tích hợp. ROM được cung cấp nhiều dung lượng bổ sung phòng khi có những cải tiến hệ thống trong tương lai.

Nhưng với EF200-400mm f/4L IS USM Extender 1.4x, dữ liệu ống kính do đội ngũ thiết kế quang học lập ra là quá lớn để lưu hết vào ROM. So với một ống kính zoom không tương thích với các bộ mở rộng, ống kính mới này có lượng dữ liệu gấp đôi chỉ vì nó có một bộ mở rộng tích hợp. Dữ liệu được sử dụng khi gắn EXTENDER EF1.4X III sẽ làm tăng gấp đôi lượng dữ liệu. Gắn EXTENDER EF2X III một lần nữa làm tăng gấp đôi lượng dữ liệu. Do đó, một phép tính đơn giản cho thấy rằng ống kính mới này phải lưu lượng dữ liệu nhiều gấp khoảng 8 lần so với một ống kính zoom truyền thống không hỗ trợ các bộ mở rộng.

ROM cho ống kính EF được thiết kế tùy chỉnh, do đó sẽ là không hợp lý khi chỉ mở rộng dung lượng lưu trữ dữ liệu vì nhiều lý do. Ví dụ như, việc bổ sung dung lượng cho ROM sẽ làm chậm tốc độ truyền dữ liệu giữa các hệ thống. Do đó, những người thiết kế mạch điều khiển điện tử đã cố gắng nén dữ liệu.

Đồng thời, họ gặp một thử thách mới - nâng cấp hệ thống truyền dữ liệu giữa máy ảnh và ống kính (hệ thống EOS) hỗ trợ ống kính có bộ mở rộng tích hợp.

Một trong những triết lý sản phẩm quan trọng của hệ thống EOS là mỗi sản phẩm trong series này phải hoạt động chính xác, ngay cả khi kết hợp thân máy và ống kính được sản xuất trong những thời đại khác nhau hoặc sử dụng các thông số công nghệ khác nhau. Điều này có nghĩa là Canon có nghĩa vụ phải thực hiện cam kết của mình và sản xuất ra những cơ chế mới, chẳng hạn như một ống kính có bộ mở rộng tích hợp, mà mọi người dùng EOS đều có thể tiếp cận.

Cam kết này được thực hiện ngay cả đối với các máy ảnh EOS dùng phim đời cũ. Vì lý do này, ống kính mới đã được kiểm nghiệm kỹ lưỡng với mọi mẫu máy ảnh EOS. Những nỗ lực kiên nhẫn cần thiết trong việc tiến hành các thử nghiệm này giúp cho chúng tôi có thể kết hợp các cơ chế vào ống kính để nó tương thích với mọi máy ảnh EOS. Việc tiến hành những nhiệm vụ này có thể là không thú vị, nhưng ống kính nào có thể đã không ra đời nếu không có quy trình kiểm nghiệm này.

Sự tiến hóa của máy ảnh Số EOS series đã mang lại một thử thách khác trong quá trình thiết kế mạch điều khiển điện tử cho ống kính mới này. Chương trình điều khiển điện tử cho hệ thống EOS được viết ra có cân nhắc sự tương tác giữa hệ thống AF với các máy ảnh EOS. Vì hệ thống AF của máy ảnh EOS-1D X tiên tiến hơn so với của máy ảnh EOS-1D Mark IV, dữ liệu đòi hỏi từ ống kính là khác nhau. Với dữ liệu để giúp ống kính tương thích với máy ảnh EOS-1D X được bổ sung, các nhà thiết kế đã nén mã chương trình hơn nữa. Sau khi tất cả công việc đã được tiến hành, lượng dữ liệu khổng lồ có thể được lưu hết vào ROM.