Зум -объектив — это система элементов объектива камеры , для которой фокусное расстояние (и, следовательно, угол обзора ) может изменяться, в отличие от объектива с фиксированным фокусным расстоянием (ФФР) ( фикс-объектива ).
Настоящий зум-объектив или оптический зум-объектив — это тип парфокального объектива , который сохраняет фокус при изменении фокусного расстояния. [1] Большинство потребительских зум-объективов не сохраняют идеальную фокусировку, но все равно остаются почти парфокальными. Большинство камерофонов , которые рекламируются как имеющие оптический зум, на самом деле используют несколько камер с разным, но фиксированным фокусным расстоянием в сочетании с цифровым зумом для создания гибридной системы.
Удобство переменного фокусного расстояния достигается ценой сложности – и некоторых компромиссов по качеству изображения, весу, размерам, диафрагме, производительности автофокуса и стоимости. Например, все зум-объективы страдают от по крайней мере небольшой, если не значительной, потери разрешения изображения при максимальной диафрагме , особенно на крайних значениях диапазона фокусных расстояний. Этот эффект очевиден в углах изображения, когда оно отображается в большом формате или с высоким разрешением. Чем больше диапазон фокусных расстояний, предлагаемый зум-объективом, тем более преувеличенными должны стать эти компромиссы. [2]
Зум-объективы часто описываются отношением их самого длинного к самому короткому фокусному расстоянию. Например, зум-объектив с фокусным расстоянием от 100 мм до 400 мм может быть описан как зум 4:1 или «4×». Термин суперзум или гиперзум используется для описания фотографических зум-объективов с очень большими коэффициентами фокусного расстояния, обычно более 5× и до 19× в объективах зеркальных камер и 22× в любительских цифровых камерах . Это отношение может достигать 300× в профессиональных объективах телевизионных камер. [3] По состоянию на 2009 год фотографические зум-объективы свыше 3× обычно не могут обеспечить качество изображения на уровне объективов с фиксированным фокусным расстоянием. Зумы с постоянной быстрой диафрагмой (обычнож /2.8 илиж /2.0) обычно ограничены этим диапазоном масштабирования. Ухудшение качества менее заметно при записи движущихся изображений с низким разрешением, поэтому профессиональные видео- и телевизионные объективы могут иметь высокие коэффициенты масштабирования. Телевизионные объективы с высоким коэффициентом масштабирования сложны, с десятками оптических элементов, часто весящих более 25 кг (55 фунтов). [4] Цифровая фотография также может включать алгоритмы, которые компенсируют оптические недостатки, как в процессорах камеры, так и в программном обеспечении для постобработки.
Некоторые фотографические зум-объективы являются длиннофокусными объективами , с фокусным расстоянием больше, чем у обычного объектива , некоторые являются широкоугольными объективами (шире, чем у обычного ), а другие охватывают диапазон от широкоугольного до длиннофокусного. Объективы в последней группе зум-объективов, иногда называемые «нормальными» зумами, [ требуется ссылка ] вытеснили объектив с фиксированным фокусным расстоянием в качестве популярного выбора с одним объективом на многих современных камерах. Маркировка на этих объективах обычно гласит W и T , что означает «Широкий» и «Телефото». Телефото обозначается потому, что большее фокусное расстояние, обеспечиваемое отрицательной рассеивающей линзой, больше, чем общая сборка линзы (отрицательная рассеивающая линза действует как «группа телефото»). [5]
Некоторые цифровые камеры позволяют обрезать и увеличивать захваченное изображение, чтобы имитировать эффект зум-объектива с большим фокусным расстоянием (более узкий угол обзора). Это обычно известно как цифровой зум и создает изображение с более низким оптическим разрешением , чем оптический зум. Точно такой же эффект можно получить, используя программное обеспечение для цифровой обработки изображений на компьютере, чтобы обрезать цифровое изображение и увеличить обрезанную область. Многие цифровые камеры имеют оба варианта, комбинируя их, сначала используя оптический, а затем цифровой зум.
Объективы с зумом и суперзумом обычно используются в фото- , видео- , кинокамерах , проекторах , некоторых биноклях , микроскопах , телескопах , телескопических прицелах и других оптических приборах . Кроме того, афокальная часть объектива с зумом может использоваться как телескоп переменного увеличения для создания регулируемого расширителя луча . Это может быть использовано, например, для изменения размера лазерного луча, чтобы можно было изменять интенсивность луча.
Ранние формы зум-объективов использовались в оптических телескопах для обеспечения непрерывного изменения увеличения изображения , и это было впервые сообщено в трудах Королевского общества в 1834 году. Ранние патенты на телеобъективы также включали подвижные элементы линз, которые можно было регулировать для изменения общего фокусного расстояния объектива. Линзы такого типа теперь называются вариофокальными объективами , поскольку при изменении фокусного расстояния положение фокальной плоскости также перемещается, требуя повторной фокусировки объектива после каждого изменения.
Первый настоящий зум- объектив, который сохранял почти четкий фокус при изменении эффективного фокусного расстояния объектива, был запатентован в 1902 году Клайлом К. Алленом ( патент США 696 788 ). [7] : 155 Раннее использование зум-объектива в кино можно увидеть в начальном кадре фильма «Оно» с Кларой Боу в главной роли, снятом в 1927 году. Первым промышленным продуктом стал объектив Bell and Howell Cooke «Varo» 40–120 мм для 35-мм кинокамер, представленный в 1932 году. [7] : 156 Самым впечатляющим ранним зум-объективом для телевидения был VAROTAL III, созданный Rank Taylor Hobson из Великобритании в 1953 году.
Объектив Kilfitt 36–82 мм/2.8 Zoomar, представленный в 1959 году, был первым вариофокальным объективом в серийном производстве для неподвижной 35-мм фотографии. [8] Первый современный зум-объектив для плёнки, Pan-Cinor, был разработан около 1950 года Роже Кювилье , французским инженером, работавшим на SOM-Berthiot. Он имел систему оптической компенсации зума. В 1956 году Пьер Анженьё представил механическую систему компенсации, обеспечивающую точную фокусировку при зумировании, в своём объективе 17-68 мм для 16 мм, выпущенном в 1958 году. В том же году прототип 35-мм версии 4-кратного зума Angénieux , 35-140 мм, был впервые использован оператором Роже Феллусом для производства фильма «Жюли Ла Рус». В 1964 году компания Angénieux получила техническую премию от Академии киноискусства за разработку объективов с зумом 10:1, включая 12–120 мм для 16-мм пленочных камер и 25–250 мм для 35-мм пленочных камер.
Из-за их относительно большого размера лишь в 1986 году был разработан зум-объектив с достаточно компактными размерами, который, наконец, нашел свое применение в компактной потребительской камере (мыльнице), такой моделью стала Pentax Zoom 70.
С тех пор достижения в области проектирования оптических объективов , в частности использование компьютеров для трассировки оптических лучей , значительно упростили проектирование и изготовление зум-объективов, и теперь они широко используются в профессиональной и любительской фотографии. [7] : 167
Существует множество возможных конструкций зум-объективов, самые сложные из которых имеют более тридцати отдельных линзовых элементов и несколько подвижных частей. Однако большинство из них следуют одной и той же базовой конструкции. Как правило, они состоят из нескольких отдельных линз, которые могут быть либо фиксированными, либо скользящими в осевом направлении вдоль корпуса объектива. В то время как увеличение зум-объектива изменяется, необходимо компенсировать любое движение фокальной плоскости, чтобы сохранить резкость сфокусированного изображения. Эта компенсация может быть выполнена механическими средствами (перемещением всего узла линзы при изменении увеличения линзы) или оптическими средствами (организацией положения фокальной плоскости таким образом, чтобы оно изменялось как можно меньше при увеличении объектива).
Простая схема зум-объектива делит узел на две части: фокусирующая линза, похожая на стандартный фотографический объектив с фиксированным фокусным расстоянием, которой предшествует афокальная зум-система — система из фиксированных и подвижных линз, которая не фокусирует свет, а изменяет размер проходящего через него светового луча и, таким образом, общее увеличение системы линз.
В этом простом оптически компенсированном зум-объективе афокальная система состоит из двух положительных (собирающихся) линз с равным фокусным расстоянием (линзы L 1 и L 3 ) с отрицательной (расходящейся) линзой ( L 2 ) между ними, с абсолютным фокусным расстоянием меньше половины фокусного расстояния положительных линз. Линза L 3 фиксирована, но линзы L 1 и L 2 могут перемещаться аксиально в определенном нелинейном соотношении. Это движение обычно выполняется сложным расположением шестеренок и кулачков в корпусе объектива, хотя некоторые современные зум-объективы используют управляемые компьютером сервоприводы для выполнения этого позиционирования.
В то время как отрицательная линза L 2 движется от передней части линзы к задней, линза L 1 движется вперед, а затем назад по параболической дуге. При этом общее угловое увеличение системы изменяется, изменяя эффективное фокусное расстояние полного зум-объектива. В каждой из трех показанных точек трехлинзовая система является афокальной (не расходящейся и не собирающей свет) и, следовательно, не изменяет положение фокальной плоскости линзы. Между этими точками система не является точно афокальной, но изменение положения фокальной плоскости может быть достаточно малым (около ±0,01 мм в хорошо спроектированной линзе), чтобы не вносить существенного изменения в резкость изображения.
Важной проблемой в конструкции зум-объектива является коррекция оптических аберраций (таких как хроматическая аберрация и, в частности, кривизна поля ) по всему рабочему диапазону объектива; это значительно сложнее в зум-объективе, чем в фиксированном объективе, которому нужно только исправить аберрации для одного фокусного расстояния. Эта проблема была основной причиной медленного внедрения зум-объективов, поскольку ранние конструкции значительно уступали современным фиксированным объективам и могли использоваться только с узким диапазоном чисел f . Современные методы оптического проектирования позволили создать зум-объективы с хорошей коррекцией аберраций в широком диапазоне фокусных расстояний и апертур.
В то время как объективы, используемые в кинематографии и видеосъемке, должны сохранять фокус при изменении фокусного расстояния, для неподвижной фотографии и зум-объективов, используемых в качестве проекционных объективов, такого требования нет. Поскольку сложнее сконструировать объектив, который не меняет фокус с тем же качеством изображения, что и тот, который меняет, в последних приложениях часто используются объективы, требующие повторной фокусировки после изменения фокусного расстояния (и, строго говоря, это варифокальные объективы , а не зум-объективы). Поскольку большинство современных неподвижных камер являются автофокусирующимися , это не проблема.
Разработчики зум-объективов с большим коэффициентом зума часто жертвуют одной или несколькими аберрациями ради более высокой резкости изображения. Например, более высокая степень бочкообразного и подушкообразного искажения допускается в объективах, которые охватывают диапазон фокусных расстояний от широкоугольного до телефото с фокусным отношением 10× или более, чем это было бы приемлемо в объективе с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объективе с меньшим коэффициентом. Хотя современные методы проектирования постоянно уменьшают эту проблему, бочкообразное искажение более одного процента является обычным для этих объективов с большим коэффициентом. Другая цена заключается в том, что при крайней настройке телефото объектива эффективное фокусное расстояние значительно изменяется, когда объектив фокусируется на более близких объектах. Видимое фокусное расстояние может уменьшиться более чем вдвое, когда объектив фокусируется от бесконечности до среднего крупного плана. В меньшей степени этот эффект также наблюдается в объективах с фиксированным фокусным расстоянием, которые перемещают внутренние элементы линзы, а не всю линзу, чтобы изменить увеличение.
Многие так называемые «зум-объективы», особенно в случае камер с фиксированным объективом, на самом деле являются варифокальными объективами , что дает разработчикам объективов больше гибкости в выборе компромиссов при оптическом проектировании (диапазон фокусных расстояний, максимальная диафрагма, размер, вес, стоимость), чем настоящий парфокальный зум, и что практично из-за автофокусировки, а также потому, что процессор камеры может перемещать объектив, чтобы компенсировать изменение положения фокальной плоскости при изменении увеличения («зумировании»), что делает работу по сути такой же, как и настоящий парфокальный зум. [ необходима цитата ]
