Зум -объектив — это система элементов объектива камеры , фокусное расстояние которой (и, следовательно, угол обзора ) можно изменять, в отличие от объектива с фиксированным фокусным расстоянием (FFL) ( объектив с фиксированным фокусным расстоянием ).
Настоящий зум-объектив или оптический зум-объектив — это тип парфокальной линзы , которая сохраняет фокус при изменении фокусного расстояния. [1] Большинство потребительских зум-объективов не обеспечивают 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 , образуя гибридную систему.
Удобство переменного фокусного расстояния достигается за счет сложности – и некоторых компромиссов в отношении качества изображения, веса, размеров, диафрагмы, характеристик автофокусировки и стоимости. Например, все зум-объективы страдают хотя бы незначительной, если не значительной, потерей разрешения изображения при максимальной диафрагме , особенно в крайних пределах диапазона фокусных расстояний. Этот эффект заметен в углах изображения при отображении в большом формате или высоком разрешении. Чем больше диапазон фокусных расстояний предлагает зум-объектив, тем более преувеличенными должны становиться эти компромиссы. [2]
Зум-объективы часто характеризуются соотношением их самого длинного и самого короткого фокусных расстояний. Например, зум-объектив с фокусным расстоянием от 100 до 400 мм можно описать как зум 4:1 или «4×». Термин «суперзум» или «гиперзум» используется для описания фотографических зум-объективов с очень большим коэффициентом фокусного расстояния, обычно более 5× и до 19× в объективах зеркальных фотокамер и 22× в любительских цифровых камерах . В объективах профессиональных телекамер это соотношение может достигать 300×. [3] По состоянию на 2009 год фотографические объективы с зумом, превышающим 3-кратное, обычно не могут обеспечить качество изображения на уровне объективов с постоянным фокусным расстоянием . Постоянное быстрое увеличение диафрагмы (обычнож /2,8 илиж /2.0), как правило, ограничены этим диапазоном масштабирования. Ухудшение качества менее заметно при записи движущихся изображений с низким разрешением, поэтому профессиональные видео- и телеобъективы могут иметь высокий коэффициент масштабирования. Телевизионные объективы с высоким коэффициентом масштабирования сложны, содержат десятки оптических элементов и часто весят более 25 кг (55 фунтов). [4] Цифровая фотография также может включать в себя алгоритмы, компенсирующие оптические недостатки, как внутри процессоров камеры, так и в программном обеспечении постобработки.
Некоторые фотографические зум-объективы представляют собой длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием больше, чем у обычного объектива , некоторые — широкоугольные объективы (шире обычного ), а другие охватывают диапазон от широкоугольного до длиннофокусного. Объективы из последней группы зум-объективов , иногда называемые «нормальными» зумами, вытеснили объективы с фиксированным фокусным расстоянием как популярный однообъективный объектив на многих современных камерах. На маркировке этих объективов обычно написано W и T , что означает «широкий» и «телефото». Обозначается телефото, потому что большее фокусное расстояние, обеспечиваемое отрицательно рассеивающей линзой, длиннее, чем весь объектив в сборе (отрицательно рассеивающая линза действует как «телефотогруппа»). [5]
Некоторые цифровые камеры позволяют обрезать и увеличивать захваченное изображение, чтобы имитировать эффект зум-объектива с большим фокусным расстоянием (более узкий угол обзора). Это широко 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 и то и другое, сочетая их сначала с использованием оптического, а затем цифрового зума.
Объективы с зумом и суперзумом обычно используются в фото- , видео- , кинокамерах , проекторах , некоторых биноклях , микроскопах , телескопах , телескопических прицелах и других оптических инструментах . Кроме того, афокальную часть трансфокатора можно использовать в качестве телескопа переменного увеличения для изготовления регулируемого расширителя луча . Это можно использовать, например, для изменения размера лазерного луча, чтобы можно было изменять интенсивность излучения луча.
Ранние формы зум-объективов использовались в оптических телескопах для обеспечения непрерывного изменения увеличения изображения, и об этом впервые сообщалось в протоколах Королевского общества в 1834 году. Ранние патенты на телеобъективы также включали подвижные элементы объектива, которые можно было регулировать. изменить общее фокусное расстояние объектива. Объективы такого типа теперь называются варифокальными , так как при изменении фокусного расстояния перемещается и положение фокальной плоскости, требуя перефокусировки объектива после каждого изменения.
Первый объектив с настоящим зумом , который сохранял почти резкую фокусировку при изменении эффективного фокусного расстояния узла объектива, был запатентован в 1902 году Клилом К. Алленом ( патент США 696,788 ). [7] : 155 Раннее использование зум-объектива в кино можно увидеть в первом кадре фильма «Оно» с Кларой Боу в главной роли в 1927 году. Первой промышленной постановкой стал фильм Белла и Хауэлла Кука «Варо» 40–120. мм для 35-мм кинокамер, представленных в 1932 году. [7] : 156 Самым впечатляющим из первых телевизионных зум-объективов был VAROTAL III от компании Rank Taylor Hobson из Великобритании, построенный в 1953 году.
Объектив Kilfitt 36–82 мм/2,8 Zoomar , представленный в 1959 году, был первым серийно выпускаемым объективом с переменным фокусным расстоянием для фотосъемки на фокусном расстоянии 35 мм . [8] Первый современный пленочный зум-объектив, Pan-Cinor, был разработан примерно в 1950 году Роже Кювилье , французским инженером, работавшим в компании SOM-Berthiot. Он имел систему оптического компенсационного зума. В 1956 году Пьер Анженье представил систему механической компенсации, обеспечивающую точную фокусировку при масштабировании, в своем объективе 17–68 мм для 16 мм, выпущенном в 1958 году. В том же году был впервые представлен прототип 35-мм версии 4-кратного зума Angénieux , 35–140 мм. использовался оператором Роджером Феллоусом для постановки Жюли Ла Русс. В 1964 году Анженье получил техническую награду от Академии киноискусства за разработку зум-объективов с коэффициентом увеличения 10:1, в том числе 12–120 мм для 16-мм пленочных фотоаппаратов и 25–250 мм для 35-мм пленочных фотоаппаратов.
Из-за своего относительного размера только в 1986 году зум-объектив был разработан с достаточно компактными размерами и, наконец, нашел свое применение в потребительской компактной камере (наведи и снимай), и это была Pentax Zoom 70.
С тех пор достижения в конструкции оптических линз , 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 состоят из более чем тридцати отдельных линз и множества движущихся частей. Однако большинство из них следуют одной и той же базовой конструкции. Обычно они состоят из ряда отдельных линз, которые могут быть зафиксированы или перемещаться в осевом направлении вдоль корпуса линзы. Хотя увеличение зум-объектива изменяется, необходимо компенсировать любое движение фокальной плоскости, чтобы сохранить резкость сфокусированного изображения. Эта компенсация может быть выполнена механическими средствами (перемещение всего узла линзы при изменении увеличения линзы) или оптически (обеспечение минимально возможного изменения положения фокальной плоскости при увеличении объектива).
Простая схема зум-объектива делит сборку на две части: фокусирующую линзу, аналогичную стандартному фотографическому объективу с фиксированным фокусным расстоянием, которой предшествует афокальная система зума , расположение неподвижных и подвижных элементов объектива, не фокусирующее объект. свет, но изменяет размер луча света, проходящего через него, и, следовательно, общее увеличение системы линз.
В этом простом зум-объективе с оптической компенсацией афокальная система состоит из двух положительных (собирающих) линз с одинаковым фокусным расстоянием (линз L 1 и L 3 ) и отрицательной (рассеивающей) линзы ( L 2 ) между ними с абсолютным фокусным расстоянием. менее чем в два раза меньше, чем у положительных линз. Линза L3 неподвижна , но линзы L1 и L2 могут перемещаться в осевом направлении в определенном нелинейном соотношении. Это движение обычно осуществляется с помощью сложной системы шестерен и кулачков в корпусе объектива, хотя в некоторых современных зум-объективах для выполнения этого позиционирования используются сервоприводы , управляемые компьютером.
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 меняется, меняя эффективное фокусное расстояние всего зум-объектива. В каждой из трех показанных точек система из трех линз является афокальной (не рассеивает и не сводит свет) и, следовательно, не изменяет положение фокальной плоскости линзы. Между этими точками система не совсем афокальна, но изменение положения фокальной плоскости может быть достаточно небольшим (около ± 0,01 мм в хорошо спроектированном объективе), чтобы не вносить существенных изменений в резкость изображения.
Важным вопросом конструкции зум-объектива является коррекция оптических аберраций (таких как хроматическая аберрация и, в частности, кривизна поля ) во всем рабочем диапазоне объектива; с зум-объективом это значительно сложнее, чем с фиксированным объективом, которому нужно корректировать аберрации только для одного фокусного расстояния. Эта проблема была основной причиной медленного распространения 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 при широком диапазоне фокусных расстояний и диафрагм.
В то время как объективы, используемые в кинематографии и видео, должны сохранять фокус при изменении фокусного расстояния, такого требования нет для фотосъемки и для зум-объективов, используемых в качестве проекционных объективов. Поскольку сложнее создать объектив, который не меняет фокус с тем же качеством изображения, что и тот, который это делает, в последних приложениях часто используются объективы, требующие перефокусировки после изменения фокусного расстояния (и, следовательно, строго говоря, это объективы с переменным фокусным расстоянием , а не зум-объективы). ). Поскольку большинство современных фотоаппаратов имеют автофокусировку , это не проблема.
Разработчики зум-объективов с большим коэффициентом масштабирования часто жертвуют одной или несколькими аберрациями ради более высокой резкости изображения. Например, более высокая степень бочкообразной и подушкообразной дисторсии допускается в объективах, охватывающих диапазон фокусных расстояний от широкоугольного до телефото, с фокусным соотношением 10× или более, чем было бы приемлемо для объективов с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объективов с более низкий коэффициент. Хотя современные методы проектирования постоянно уменьшают эту проблему, в этих объективах с большим соотношением часто встречается бочкообразная дисторсия, превышающая один процент. Еще одна цена, которую приходится платить, заключается в том, что при крайнем телеобъективе эффективное фокусное расстояние существенно меняется, пока объектив фокусируется на более близких объектах. Видимое фокусное расстояние может уменьшиться более чем вдвое при фокусировке объектива 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 вызвать изменение увеличения.
Многие так называемые объективы с «зумом», особенно в случае камер с фиксированным объективом, на самом деле являются объективами с переменным фокусным расстоянием , что дает разработчикам объективов большую гибкость в выборе оптических решений (диапазон фокусных расстояний, максимальная диафрагма, размер, вес, стоимость). чем настоящий парфокальный зум, и который практичен из-за автофокусировки, а также потому, что процессор камеры может перемещать объектив, чтобы компенсировать изменение положения фокальной плоскости при изменении увеличения («масштабирование»), что делает операцию по существу такой же, как и при настоящий парфокальный зум. [ нужна цитата ]
