Өзгермелі фокус аралығы бар линзалар

Кіріспе

Айнымалы фокустық қашықтығы бар объектив – камера объективі.

Зумдық объектив – камера объективі элементтерінің жүйесі, оның фокустық қашықтығы (және осылайша көру бұрышы) тұрақты фокустық қашықтығы бар (FFL) объективтен (негізгі объективтен) өзгеше, өзгертілуі мүмкін. Нағыз зумдық линза немесе оптикалық зумдық линза – фокус аралығы өзгерген кезде фокусты сақтайтын парфокалды линзаның бір түрі. Көптеген тұтынушылық зумдық линзалар толыққанды фокус сақтамайды, бірақ бәрібір шамамен парфокалды болып табылады. Көптеген камералы телефондар оптикалық зумға ие деп жарнамаланса да, шын мәнінде әртүрлі, бірақ тұрақты фокустық қашықтығы бар бірнеше камераны цифрлық зуммен біріктіріп, гибридтік жүйе құрайды. Айнымалы фокустық қашықтықтың қолайлылығы кескін сапасы, салмақ, өлшемдер, диафрагма, автофокус өнімділігі және құн бойынша кейбір шарттармен байланысты. Мысалы, барлық зумдық линзалар олардың ең үлкен диафрагмасында, әсіресе фокустық қашықтық диапазонының шектерінде, кескіннің ажыратымдылығының белгілі бір дәрежеде жоғалуынан зардап шегеді. Бұл әсер суреттің бұрыштарында, үлкен форматта немесе жоғары ажыратымдылықта көрсетілгенде байқалады. Зумдық линзаның фокустық қашықтығының диапазоны неғұрлым кең болса, осы шарттар да соғұрлым күшейе түседі.

Сипаттамалары

Зум линзалары көбінесе ең ұзақ және ең қысқа фокустық қашықтығының арақатынасы арқылы сипатталады. Мысалы, 100 мм-ден 400 мм-ге дейінгі фокустық қашықтығы бар зум линзасы 4:1 немесе "4×" зум деп сипатталуы мүмкін. "Суперзум" немесе "гиперзум" термині өте үлкен фокустық қашықтық коэффициенттері бар фотосуреттік зум линзаларын сипаттау үшін қолданылады, әдетте 5x-тен жоғары, SLR камера линзалары үшін 19x-ке дейін және әуесқой цифрлық камералар үшін 22x-ке дейін. Бұл коэффициент кәсіби теледидар камераларының линзаларында 300x-ке дейін жете алады. 2009 жылдан бастап, 3x-тен аспайтын фотосуреттік зум линзалары әдетте негізгі линзалармен салыстырылатын бейне сапасын бере алмайды. Тұрақты, жарық диафрагмасы бар зум линзалары (әдетте 2.8 немесе 2.0) әдетте осы зум диапазонымен шектеледі. Төмен ажыратымдылықтағы бейнелерді түсіргенде сапаның нашарлауы аз байқалады, сондықтан кәсіби бейне және теледидар линзалары жоғары зу коэффициенттеріне ие болады. Жоғары зу коэффициенті бар теледидар линзалары күрделі, ондаған оптикалық элементтерден тұрады және көбінесе цифрлық фотокамералардан ауыр болады. Цифрлық фотосуретте камера процессорлары мен пост-өндіріс бағдарламалық жасақтамасында оптикалық кемшіліктерді жоюға арналған алгоритмдер де қолданылады. Кейбір фотосуреттік зум линзалары ұзын фокустық линзалар болып табылады, олардың фокустық қашықтығы қалыпты линзадан ұзын, ал кейбіреулері кең бұрышты линзалар (қалыптыдан кеңірек) болып табылады, ал басқалары кең бұрыштан ұзын фокусқа дейінгі диапазонды қамтиды. Соңғы топқа жататын линзалар, кейде "қалыпты" зум деп аталады, көптеген заманауи камераларда бір линзаны таңдау ретінде тұрақты фокустық қашықтығы бар линзаларды ығыстырды. Бұл линзалардың корпусында әдетте "Wide" (кең) және "Telephoto" (телефото) үшін W және T деп жазылады. Телефото деп аталады, өйткені теріс дивергентті линзаның ұзақ фокустық қашықтығы линза жиынтығынан ұзын болады (теріс дивергентті линза "телефото тобы" ретінде әрекет етеді). Кейбір цифрлық камералар түсірілген суретті кесіп, ұлғайтуға мүмкіндік береді, бұл ұзын фокустық қашықтығы бар зум линзасының әсерін имитациялайды (тар көру бұрышы). Бұл әдетте "цифрлық зум" деп аталады және оптикалық зумға қарағанда төмен оптикалық ажыратымдылықтағы суретті береді. Компьютердегі цифрлық кескінді өңдеу бағдарламалық жасақтамасын қолдану арқылы цифрлық кескінді кесіп, кесілген бөлікті ұлғайту арқылы дәл осындай эффект алуға болады. Көптеген цифрлық камераларда екеуі де бар, оларды біріктіріп, алдымен оптикалық, содан кейін цифрлық зумды қолданады. Зум және суперзум линзалары әдетте фотосурет, бейне, кинокамералар, проекторлар, кейбір бинокльдер, микроскоптар, телескоптар, телескоптық көріністер және басқа да оптикалық құралдармен қолданылады. Сонымен қатар, зум линзасының афокалды бөлігін өзгермелі ұлғайту телескобы ретінде пайдалануға болады, мысалы, лазерлік сәуленің мөлшерін өзгерту үшін, осылайша сәуленің қарқындылығын өзгертуге болады.

Zoom lenses are often described by the ratio of their longest to shortest focal lengths. For example, a zoom lens with focal lengths ranging from 100 mm to 400 mm may be described as a 4:1 or "4×" zoom. The term superzoom or hyperzoom is used to describe photographic zoom lenses with very large focal length factors, typically more than 5× and ranging up to 19× in SLR camera lenses and 22× in amateur digital cameras. This ratio can be as high as 300× in professional television camera lenses. As of 2009, photographic zoom lenses beyond about 3× cannot generally produce imaging quality on par with prime lenses. Constant fast aperture zooms (usually 2.8 or 2.0) are typically restricted to this zoom range. Quality degradation is less perceptible when recording moving images at low resolution, which is why professional video and TV lenses are able to feature high zoom ratios. High zoom ratio TV lenses are complex, with dozens of optical elements, often weighing more than Digital photography can also accommodate algorithms that compensate for optical flaws, both within in camera processors and post production software. Some photographic zoom lenses are long focus lenses, with focal lengths longer than a normal lens, some are wide angle lenses (wider than normal), and others cover a range from wide angle to long focus. Lenses in the latter group of zoom lenses, sometimes referred to as "normal" zooms, have displaced the fixed focal length lens as the popular one lens selection on many contemporary cameras. The markings on these lenses usually say W and T for "Wide" and "Telephoto". Telephoto is designated because the longer focal length supplied by the negative diverging lens is longer than the overall lens assembly (the negative diverging lens acting as the "telephoto group"). Some digital cameras allow cropping and enlarging of a captured image, in order to emulate the effect of a longer focal length zoom lens (narrower angle of view). This is commonly known as digital zoom and produces an image of lower optical resolution than optical zoom. Exactly the same effect can be obtained by using digital image processing software on a computer to crop the digital image and enlarge the cropped area. Many digital cameras have both, combining them by first using the optical, then the digital zoom. Zoom and superzoom lenses are commonly used with still, video, motion picture cameras, projectors, some binoculars, microscopes, telescopes, telescopic sights, and other optical instruments. In addition, the afocal part of a zoom lens can be used as a telescope of variable magnification to make an adjustable beam expander. This can be used, for example, to change the size of a laser beam so that the irradiance of the beam can be varied.

Тарих

Зум линзаларының алғашқы түрлері оптикалық телескоптарда бейненің ұлғаюын үздіксіз өзгерту үшін қолданылған, және бұл туралы алғаш рет 1834 жылы Корольдік қоғамның мәжілісінде хабарланды. Телефото линзаларға алынған алғашқы патенттерде де линзаның жалпы фокустық қашықтығын өзгертуге мүмкіндік беретін қозғалмалы линза элементтері болған. Мұндай линзалар қазір варифокальды линзалар деп аталады, себебі фокустық қашықтық өзгерген кезде фокустық жазықтықтың орны да ауысады, сондықтан линзаны әр өзгерістен кейін қайта фокустау қажет болады. Шынайы зум линзасы, линза жинағының тиімді фокустық ұзындығы өзгертілгенде бейне өткір болып қалатын, 1902 жылы Клиль С. Алленмен патенттелген. Зум линзаның кинодағы алғашқы қолданылуын 1927 жылы Клара Боудың басты рөлде ойнаған "Бұл" фильмінің бастапқы кадрларында көруге болады. Алғашқы өнеркәсіптік өндіріс 1932 жылы 35 мм кинокамераларға арналған Bell and Howell Cooke "Varo" 40–120 мм линзасы болды. Бірінші заманауи кино зум линзасын 1950 жылы SOM Berthiot компаниясында жұмыс істейтін француз инженері Роджер Кувильер жасады. Онда оптикалық компенсациялық зум жүйесі болған. 1956 жылы Пьер Анженье механикалық компенсация жүйесін енгізді, бұл 1958 жылы шыққан 17–68 мм 16 мм линзасында масштабтау кезінде нақты фокусқа қол жеткізуге мүмкіндік берді. Сол жылы Анженье 4x зумның 35 мм нұсқасының прототипі, 35–140 мм, алғаш рет оператор Роджер Феллоус "Жюли Ла Русс" фильмін түсіргенде қолданды. Анженье 1964 жылы кино академиясынан 10:1 зум линзаларын, соның ішінде 12–120 мм 16 мм кинокамераларға және 25–250 мм 35 мм кинокамераларға арналған линзаларды жасағаны үшін техникалық сыйлық алды. Олардың салыстырмалы үлкендігіне байланысты, 1986 жылға дейін ғана зум линзасы жеткілікті түрде ықшамдалды және соңында тұтынушыларға арналған компактты (түсіруге дайын) камераға енгізілді, ол Pentax Zoom 70 болды. Содан бері оптикалық линзаларды жобалаудағы жетістіктер, әсіресе оптикалық сәулелерді есептеу үшін компьютерлерді пайдалану, зум линзаларын жобалауды және құрастыруды әлдеқайда оңайлатты, және қазір олар кәсіби және әуесқой фотосуреттерде кеңінен қолданылады.

Early forms of zoom lenses were used in optical telescopes to provide continuous variation of the magnification of the image, and this was first reported in the proceedings of the Royal Society in 1834. Early patents for telephoto lenses also included movable lens elements which could be adjusted to change the overall focal length of the lens. Lenses of this kind are now called varifocal lenses, since when the focal length is changed, the position of the focal plane also moves, requiring refocusing of the lens after each change. The first true zoom lens, which retained near sharp focus while the effective focal length of the lens assembly was changed, was patented in 1902 by Clile C. Allen An early use of the zoom lens in cinema can be seen in the opening shot of the movie "It" starring Clara Bow, from 1927. The first industrial production was the Bell and Howell Cooke "Varo" 40–120 mm lens for 35mm movie cameras introduced in 1932. The first modern film zoom lens, the Pan Cinor, was designed around 1950 by Roger Cuvillier, a French engineer working for SOM Berthiot. It had an optical compensation zoom system. In 1956, Pierre Angénieux introduced the mechanical compensation system, enabling precise focus while zooming, in his 17 68mm lens for 16mm released in 1958. The same year a prototype of the 35mm version of the Angénieux 4x zoom, the 35 140mm was first used by cinematographer Roger Fellous for the production of Julie La Rousse. Angénieux received a 1964 technical award from the academy of motion pictures for the design of the 10 to 1 zoom lenses, including the 12 120mm for 16mm film cameras and the 25 250mm for 35mm film cameras. Because of their relative bulk, it wasn't until as recently as 1986 that a zoom lens was designed with sufficiently compact dimensions and finally found its way into a consumer compact (point and shoot) camera, this being the Pentax Zoom 70. Since then advances in optical lens design, particularly the use of computers for optical ray tracing, has made the design and construction of zoom lenses much easier, and they are now used widely in professional and amateur photography.

Дизайн

Зоомдық линзалардың көптеген мүмкін дизайндары бар, ең күрделілері отыздан астам жеке линза элементтері мен бірнеше жылжымалы бөліктерден тұрады. Дегенмен, көпшілігі бірдей негізгі құрылымды ұстанады. Әдетте, олар бірнеше жеке линзалардан құралған, олар линза корпусының бойымен бекітілген немесе ось бойымен жылжытыла алады. Зум линзасының ұлғайтуы өзгеретін кезде, фокустық жазықтықтың қозғалысын өтеу қажет, бұл фокустағы кескіннің қалыпты күйінде қалуын қамтамасыз етеді. Бұл өтемақы механикалық (линзаның толық құрамын ұлғайту өзергенде жылжыту арқылы) немесе оптикалық (линзаны масштабтағанда фокустық жазықтықтың орнын мүмкіндігінше аз өзгерту арқылы) жолмен жүзеге асырылуы мүмкін. Зум линзасының қарапайым схемасы құрастырманы екі бөлікке бөледі: стандартты, тұрақты фокустық қашықтығы бар фотообъективке ұқсас фокустау линзасы және одан бұрын орналасқан афокалды зум жүйесі. Афокалды зум жүйесі – жарықты фокусқа түсірмейтін, бірақ одан өтетін жарық сәулесінің мөлшерін өзгертетін және осылайша линза жүйесінің жалпы ұлғаюын өзгертетін бекітілген және жылжымалы линза элементтерінің жиынтығы. Бұл қарапайым оптикалық өтемақы бар зум линзасында афокалды жүйе екі оң (жинақтаушы) тең фокустық қашықтығы бар линзадан (L1 және L3 линзалары) және олардың арасындағы теріс (таратушы) линзадан (L2) тұрады. Теріс линзаның абсолютті фокустық қашықтығы оң линзалардың жартысынан кем. L3 линзасы бекітілген, бірақ L1 және L2 линзаларын белгілі бір сызықтық емес қатынаста ось бойымен жылжытуға болады. Бұл қозғалыс әдетте линза корпусындағы тісті дөңгелектер мен жетектердің күрделі орналасуымен жүзеге асырылады, бірақ кейбір заманауи зум линзалары осы орналасуды орындау үшін компьютерлік басқару серволарын пайдаланады. L2 теріс линзасы линзаның алдыңғы жағынан артқы жағына қарай жылса, L1 линзасы алға, содан кейін артқа қарай параболалық доға бойынша қозғалады. Осылайша, жүйенің жалпы бұрыштық ұлғаюы өзгереді, толық зум линзасының тиімді фокустық қашықтығын өзгертеді. Көрсетілген үш нүктеде үш линзалық жүйе афокалды болады (жарықты жинақтамайды немесе таратпайды) және сондықтан линзаның фокустық жазықтығының орнын өзгерте алмайды. Бұл нүктелер арасында жүйе толық афокалды болмаса да, фокустық жазықтықтың орнының өзгеруі жеткілікті кішкентай болуы мүмкін (жақсы жасалған линзада шамамен ±0,01 мм), бұл кескіннің қалыптылығына елеулі әсер етпейді. Зум линзаларын жобалаудағы маңызды мәселе – оптикалық аберрацияларды түзету (мысалы, хроматикалық аберрация және, әсіресе, өріс қисықтығы) линзаның жұмыс істеу ауқымында. Бұл зум линзасында тұрақты линзаға қарағанда қиын, ол тек бір фокустық қашықтық үшін аберрацияларды түзетуі керек. Бұл мәселе зум линзаларын қабылдаудың баяу болуының басты себебі болды, ал ертедегі үлгілер қазіргі заманғы тұрақты линзалардан әлдеқайда нашар болды және оларды f сандарының тар диапазонында ғана пайдалануға болады. Заманауи оптикалық жобалау әдістері кеңінен өзгермелі фокустық қашықтығы мен диафрагмасы бар зум линзаларын жасауға мүмкіндік берді. Кино және бейне түсіруге арналған линзалар фокусты өзгерткен кезде сақтап тұруды талап етеді, ал фотосуретке түсіруге және проекциялық линзалар ретінде қолданылатын зум линзалары үшін мұндай талап жоқ. Фокусты өзгертпейтін линзаны дәл осындай сапалы кескінмен жасау қиын болғандықтан, соңғы қолданбаларда көбінесе фокус ұзындығы өзгергеннен кейін қайта фокустауды қажет ететін линзалар қолданылады (және осылайша қатаң айтқанда, бұл диффокалды линзалар, емес зум линзалар). Қазіргі заманғы фотокамералардың көпшілігі автофокуспен жұмыс істейтіндіктен, бұл қиындық тудырмайды. Үлкен масштабтағы зум линзаларын жасаушылар көбінесе бір немесе бірнеше аберрацияны жоғары кескіннің қалыптылығы үшін айырбастайды. Мысалы, қақпақ және шүмек бұрмалаудың үлкен дәрежесі, 10 × немесе одан көп фокустық қатынаспен кең бұрыштан телефотоға дейінгі фокустық қашықтық диапазонын қамтитын линзаларда, тұрақты фокустық қашықтығы бар линзада немесе кіші қатынасы бар зум линзасында қабылдауға болатыннан гөрі қабылданады. Заманауи жобалау әдістері осы мәселені үнемі азайтып келеді, бірақ бұл үлкен масштабтағы линзаларда бір пайыздан астам баррель бұрмалануы жиі кездеседі. Тағы бір төленген баға – объективтің экстремалды телефотолық орнатылуында объектив жақын нысандарға назар аударған кезде тиімді фокустық қашықтық айтарлықтай өзгереді. Көрінетін фокустық қашықтық линза шексіздіктен орташа жақынға дейін фокустау кезінде жартысына дейін азаюы мүмкін. Аз дәрежеде, бұл әсер фокустық қашықтығы тұрақты линзаларда да байқалады, олар ұлғайтуды өзгерту үшін бүкіл линза емес, ішкі линза элементтерін жылдырады.

There are many possible designs for zoom lenses, the most complex ones having upwards of thirty individual lens elements and multiple moving parts. Most, however, follow the same basic design. Generally they consist of a number of individual lenses that may be either fixed or slide axially along the body of the lens. While the magnification of a zoom lens changes, it is necessary to compensate for any movement of the focal plane to keep the focused image sharp. This compensation may be done by mechanical means (moving the complete lens assembly while the magnification of the lens changes) or optically (arranging the position of the focal plane to vary as little as possible while the lens is zoomed). A simple scheme for a zoom lens divides the assembly into two parts: a focusing lens similar to a standard, fixed focal length photographic lens, preceded by an afocal zoom system, an arrangement of fixed and movable lens elements that does not focus the light, but alters the size of a beam of light travelling through it, and thus the overall magnification of the lens system. In this simple optically compensated zoom lens, the afocal system consists of two positive (converging) lenses of equal focal length (lenses L1 and L3) with a negative (diverging) lens (L2) between them, with an absolute focal length less than half that of the positive lenses. Lens L3 is fixed, but lenses L1 and L2 can be moved axially in a particular non linear relationship. This movement is usually performed by a complex arrangement of gears and cams in the lens housing, although some modern zoom lenses use computer controlled servos to perform this positioning. While the negative lens L2 moves from the front to the back of the lens, the lens L1 moves forward and then backward in a parabolic arc. In doing so, the overall angular magnification of the system varies, changing the effective focal length of the complete zoom lens. At each of the three points shown, the three lens system is afocal (neither diverging or converging the light), and hence does not alter the position of the focal plane of the lens. Between these points, the system is not exactly afocal, but the variation in focal plane position can be small enough (about ±0.01 mm in a well designed lens) not to make a significant change to the sharpness of the image. An important issue in zoom lens design is the correction of optical aberrations (such as chromatic aberration and, in particular, field curvature) across the whole operating range of the lens; this is considerably harder in a zoom lens than a fixed lens, which needs only to correct the aberrations for one focal length. This problem was a major reason for the slow uptake of zoom lenses, with early designs being considerably inferior to contemporary fixed lenses and usable only with a narrow range of f numbers. Modern optical design techniques have enabled the construction of zoom lenses with good aberration correction over widely variable focal lengths and apertures. Whereas lenses used in cinematography and video applications are required to maintain focus while the focal length is changed, there is no such requirement for still photography and for zoom lenses used as projection lenses. Since it is harder to construct a lens that does not change focus with the same image quality as one that does, the latter applications often use lenses that require refocusing once the focal length has changed (and thus strictly speaking are varifocal lenses, not zoom lenses). As most modern still cameras are autofocusing, this is not a problem. Designers of zoom lenses with large zoom ratios often trade one or more aberrations for higher image sharpness. For example, a greater degree of barrel and pincushion distortion is tolerated in lenses that span the focal length range from wide angle to telephoto with a focal ratio of 10× or more than would be acceptable in a fixed focal length lens or a zoom lens with a lower ratio. Although modern design methods have been continually reducing this problem, barrel distortion of greater than one percent is common in these large ratio lenses. Another price paid is that at the extreme telephoto setting of the lens the effective focal length changes significantly while the lens is focused on closer objects. The apparent focal length can more than halve while the lens is focused from infinity to medium close up. To a lesser degree, this effect is also seen in fixed focal length lenses that move internal lens elements, rather than the entire lens, to effect changes in magnification.

Варифокалды линза

Көптеген "зум" деп аталатын линзалар, әсіресе тұрақты линзалы камералардың жағдайында, шын мәнінде варифокальды линзалар болып табылады. Бұл линза жасаушыларға оптикалық дизайнды жасау кезінде (фокальдық ұзындығының диапазоны, максималды апертурасы, мөлшері, салмағы, құны) нақты парфокальды зумға қарағанда көбірек икемділік береді. Бұл автофокус мүмкіндігінің болуымен және камера процессорының үлкейтуді өзгерте (зумдай) келіп, фокус жазықтығының орнының өзгеруін линзаны жылжыту арқылы толықтыруымен байланысты, бұл пайдалануды нақты парфокальды зум сияқты жеңілдетеді.