Объективы с переменным фокусным расстоянием

Введение

Объектив с переменным фокусным расстоянием, или зум-объектив камеры – это система элементов объектива, для которой фокусное расстояние (и, следовательно, угол обзора) может изменяться, в отличие от объектива с фиксированным фокусным расстоянием (FFL), также называемого основным объективом. Истинный зум-объектив или оптический зум-объектив является типом парфокального объектива, который сохраняет фокус при изменении фокусного расстояния. Большинство потребительских зум-объективов не обеспечивают идеальную фокусировку, но остаются почти парфокальными. Многие камеры телефонов, рекламируемые с оптическим зумом, фактически используют несколько камер с разным, но фиксированным фокусным расстоянием в сочетании с цифровым зумом, создавая гибридную систему. Удобство переменного фокусного расстояния достигается за счет сложности и определенных компромиссов в качестве изображения, весе, размерах, светосиле, производительности автофокуса и стоимости. Например, все зум-объективы в той или иной степени теряют разрешение изображения при максимальной диафрагме, особенно на крайних значениях диапазона фокусного расстояния. Этот эффект заметен по углам изображения при просмотре в большом формате или высоком разрешении. Чем шире диапазон фокусных расстояний, предлагаемый зум-объективом, тем более выражены эти компромиссы.

Характеристики

Зум-объективы часто описываются как отношение их максимальной длины фокусного расстояния к минимальной. Например, зум-объектив с диапазоном фокусных расстояний от 100 мм до 400 мм может быть описан как зум 4:1 или "4×". Термины "суперзум" или "гиперзум" используются для обозначения фотографических зум-объективов с очень большим коэффициентом изменения фокусного расстояния, обычно более 5× и до 19× в объективах для зеркальных камер и 22× в любительских цифровых камерах. Это соотношение может достигать 300× в профессиональных объективах для телевизионных камер. По состоянию на 2009 год, фотографические зум-объективы с увеличением более 3× обычно не обеспечивают качество изображения, сравнимое с фиксированными объективами. Зум-объективы с постоянной высокой светосилой (обычно 2.8 или 2.0) обычно ограничены этим диапазоном увеличения. Ухудшение качества менее заметно при записи движущихся изображений с низким разрешением, поэтому профессиональные видео- и телевизионные объективы могут иметь высокие коэффициенты увеличения. Телевизионные объективы с высоким коэффициентом увеличения сложны и состоят из десятков оптических элементов, часто весящих больше, чем цифровые камеры. Кроме того, цифровая фотография позволяет использовать алгоритмы, компенсирующие оптические недостатки, как в процессорах камеры, так и в программном обеспечении для постобработки. Некоторые зум-объективы являются длиннофокусными, с фокусными расстояниями, превышающими нормальные, другие – широкоугольными (шире нормальных), а третьи охватывают диапазон от широкоугольных до длиннофокусных. Объективы в последней группе зум-объективов, иногда называемые "нормальными" зумами, вытеснили объективы с фиксированным фокусным расстоянием в качестве наиболее популярного выбора для многих современных камер. На этих объективах обычно указываются обозначения W и T для "Wide" (широкий) и "Telephoto" (телеобъектив). Обозначение "телеобъектив" используется потому, что более длинное фокусное расстояние, обеспечиваемое рассеивающей линзой, превышает общую длину объектива (рассеивающая линза действует как "телефотогруппа"). Некоторые цифровые камеры позволяют обрезать и увеличивать захваченное изображение, чтобы имитировать эффект зум-объектива с более длинным фокусным расстоянием (более узкий угол обзора). Это обычно называют цифровым зумом, и он дает изображение с более низким оптическим разрешением, чем оптический зум. Того же эффекта можно добиться, используя программное обеспечение для обработки цифровых изображений на компьютере для обрезки и увеличения цифрового изображения. Многие цифровые камеры имеют и оптический, и цифровой зум, комбинируя их последовательно. Зум- и суперзум-объективы широко используются в фото-, видео-, кинокамерах, проекторах, некоторых биноклях, микроскопах, телескопах, прицелах и других оптических приборах. Кроме того, афокальная часть зум-объектива может использоваться в качестве телескопа с переменным увеличением для создания регулируемого расширителя пучка. Это может быть использовано, например, для изменения размера лазерного луча с целью изменения интенсивности излучения.

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.

История

Ранние формы зум-объективов использовались в оптических телескопах для обеспечения непрерывного изменения увеличения изображения, и об этом впервые сообщалось 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. Такие объективы теперь называются варифокальными, поскольку при изменении фокусного расстояния положение фокальной плоскости также смещается, что требует перефокусировки 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 С. Алленом. Раннее использование зум-объектива в кинематографе можно увидеть в первом кадре фильма "Она" с Кларой Боу, 1927 года. Первым промышленным производством стал объектив Bell and Howell Cooke "Varo" 40–120 мм для 35-мм кинокамер, представленный в 1932 году. Первый современный кино-зум-объектив Pan Cinor был разработан около 1950 года Роджером Кувилье, французским инженером, работавшим в SOM Berthiot. Он имел систему оптической компенсации зума. В 1956 году Пьер Анжёнье представил механическую систему компенсации, обеспечивающую точную фокусировку при зумировании, в своем объективе 17–68 мм для 16-мм камер, выпущенном в 1958 году. В том же году прототип 35-мм версии зум-объектива Angénieux 4x, 35–140 мм, впервые был использован оператором Роджером Феллусом для съемок фильма "Жюли Ла Рус". В 1964 году Анжёнье получил техническую премию от Академии кинематографических искусств и наук за разработку зум-объективов с 10-кратным увеличением, включая 12–120 мм для 16-мм пленочных камер и 25–250 мм для 35-мм пленочных камер. Из-за их относительно больших габаритов, зум-объектив с достаточно компактными размерами и, наконец, попавший в потребительскую компактную камеру (камеру моментальной съемки), Pentax Zoom 70, был разработан только в 1986 году. С тех пор достижения в области проектирования оптических линз, особенно использование компьютеров для трассировки лучей, значительно упростили проектирование и изготовление зум-объективов, и теперь они широко используются в профессиональной и любительской фотографии.

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

Существует множество возможных конструкций зум-объективов, наиболее сложные из которых содержат более тридцати отдельных линз и множество движущихся частей. Однако большинство из них основаны на схожем базовом принципе. Как правило, они состоят из нескольких отдельных линз, которые могут быть неподвижными или перемещаться вдоль оптической оси внутри корпуса объектива. При изменении увеличения зум-объектива необходимо компенсировать смещение фокальной плоскости, чтобы изображение оставалось резким. Эта компенсация может осуществляться механически (путем перемещения всей линзовой группы при изменении увеличения) или оптически (путем организации положения фокальной плоскости таким образом, чтобы она изменялась минимально при зумировании). Простая схема зум-объектива разделяет конструкцию на две части: фокусирующую линзу, аналогичную стандартному объективу с фиксированным фокусным расстоянием, и афокальную систему зумирования, представляющую собой набор неподвижных и подвижных линз, которые не формируют изображение, а изменяют размер светового пучка, проходящего через них, и, следовательно, общее увеличение системы. В этом простом оптически компенсированном зум-объективе афокальная система состоит из двух положительных (собирающих) линз одинаковой фокусной длины (L1 и L3) и отрицательной (рассеивающей) линзы (L2), расположенной между ними, с абсолютной фокусной длиной, меньшей половины фокусной длины положительных линз. Линза L3 фиксирована, а линзы L1 и L2 могут перемещаться вдоль оптической оси в определенной нелинейной зависимости. Это перемещение обычно осуществляется сложной системой шестерен и кулачков внутри корпуса объектива, хотя в некоторых современных зум-объективах используются сервоприводы с компьютерным управлением для точного позиционирования. В то время как отрицательная линза L2 перемещается от передней к задней части объектива, линза L1 движется вперед и затем назад по параболической траектории. В результате изменяется общее угловое увеличение системы, что приводит к изменению эффективного фокусного расстояния зум-объектива. В каждой из трех показанных точек трехлинзовая система является афокальной (не расходящейся и не сходящейся), и, следовательно, не изменяет положение фокальной плоскости. Между этими точками система не является строго афокальной, но изменение положения фокальной плоскости может быть достаточно малым (около ±0,01 мм в хорошо спроектированном объективе), чтобы не оказывать существенного влияния на резкость изображения. Важной задачей при проектировании зум-объективов является коррекция оптических аберраций (таких как хроматическая аберрация и, в частности, кривизна поля) во всем рабочем диапазоне объектива; это значительно сложнее, чем в объективе с фиксированным фокусным расстоянием, которому необходимо корректировать аберрации только для одного фокусного расстояния. Эта проблема была одной из основных причин медленного распространения зум-объективов, поскольку ранние конструкции значительно уступали современным объективам с фиксированным фокусным расстоянием и могли использоваться только с узким диапазоном значений диафрагмы. Современные методы оптического проектирования позволили создавать зум-объективы с хорошей коррекцией аберраций на широком диапазоне фокусных расстояний и диафрагм. В то время как объективы, используемые в кинематографических и видеоприложениях, должны поддерживать 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 при сохранении того же качества изображения, в последних приложениях часто используются объективы, требующие перефокусировки после изменения фокусного расстояния (и, следовательно, строго говоря, являются варифокальными объективами, а не зум-объективами). Поскольку большинство современных фотокамер оснащены автофокусом, это не является проблемой. Конструкторы зум-объективов с большим коэффициентом зума часто идут на компромисс, жертвуя одной или несколькими аберрациями ради повышения резкости изображения. Например, в объективах, охватывающих диапазон фокусных расстояний от широкоугольного до телеобъектива с коэффициентом зума 10x и более, допускается большая степень бочкообразной и подушкообразной дисторсии, чем допустимо в объективе с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объективе с меньшим коэффициентом зума. Хотя современные методы проектирования постоянно снижают эту проблему, бочкообразная дисторсия более одного процента часто встречается в объективах с большим коэффициентом зума. Другая плата, которую приходится платить, заключается в том, что на крайнем телефотоположении объектива эффективное фокусное расстояние значительно изменяется при фокусировке на близких объектах. Кажущееся фокусное расстояние может более чем вдвое уменьшиться при фокусировке от бесконечности до среднего плана. В меньшей степени этот эффект наблюдается и в объективах с фиксированным фокусным расстоянием, которые перемещают внутренние линзы, а не весь объектив, для изменения увеличения.

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.

Варифокальная линза

Многие так называемые "зум"-объективы, особенно в камерах с фиксированным объективом, на самом деле являются варифокальными. Это дает конструкторам оптики больше свободы в выборе оптимальных параметров (диапазон фокусных расстояний, максимальная апертура, размер, вес, стоимость) по сравнению с настоящими парфокальными зумами. Такая конструкция практична благодаря автофокусу и тому, что процессор камеры может перемещать линзу для компенсации смещения плоскости фокусировки при изменении масштаба ("зумировании"), обеспечивая работу, по сути, аналогичную настоящему парфокальному зуму.