Зум-объектив - Zoom lens

Эта статья про объектив камеры. Для американского звукозаписывающего лейбла см. Zoom Lens (лейбл).
Никкор Зум-объектив 28–200 мм, увеличенный до 200 мм слева и свернутый до фокусного расстояния 28 мм справа

А зум-объектив механическая сборка линзы для чего фокусное расстояние (и поэтому угол обзора ) можно изменять, в отличие от объектива с фиксированным фокусным расстоянием (FFL) (см. фиксированный объектив ).

Настоящий зум-объектив, также называемый парфокальная линза, поддерживает фокусировку при изменении фокусного расстояния.[1] Большинство бытовых зум-объективов не поддерживают идеальный фокус, но все же имеют парфокальный дизайн.

Удобство переменного фокусного расстояния достигается за счет сложности, а также некоторых компромиссов по качеству изображения, весу, размерам, диафрагме, характеристикам автофокусировки и стоимости. Например, все зум-объективы страдают, по крайней мере, небольшой, если не значительной, потерей разрешения изображения при максимальной диафрагме, особенно в крайних точках диапазона их фокусных расстояний. Этот эффект проявляется в углах изображения при отображении в большом формате или с высоким разрешением. Чем больший диапазон фокусных расстояний предлагает зум-объектив, тем более преувеличенными должны быть эти компромиссы.[2]

Характеристики

Фотография, сделанная зум-объективом, фокусное расстояние которого менялось в процессе экспонирования.

Зум-объективы часто описываются отношением их наибольшего фокусного расстояния к наименьшему. Например, зум-объектив с фокусным расстоянием от 100 мм до 400 мм может быть описан как зум 4: 1 или «4 ×». Период, термин суперзум или гиперзум используется для описания фотографических зум-объективов с очень большим коэффициентом фокусного расстояния, обычно более 5 × и в диапазоне до 19 × Зеркальная камера линзы и 22 × в любительском цифровые фотоаппараты. Это соотношение может достигать 300 × в объективах профессиональных телекамер.[3] По состоянию на 2009 год фотографические зум-объективы более 3 ×, как правило, не могут обеспечивать качество изображения наравне с фиксированные линзы. Постоянное увеличение диафрагмы (обычно ж/2.8 или ж/2.0) обычно ограничиваются этим диапазоном масштабирования. Ухудшение качества менее заметно при записи движущихся изображений с низким разрешением, поэтому профессиональные видео- и телеобъективы могут иметь высокие коэффициенты масштабирования. Телевизионные объективы с высоким коэффициентом масштабирования сложны, состоят из десятков оптических элементов и часто весят более 25 кг (55 фунтов).[4] Цифровая фотография также может включать в себя алгоритмы, которые компенсируют оптические недостатки как в процессорах камеры, так и в программном обеспечении постпроизводства.

Некоторые фотографические зум-объективы длиннофокусные линзы, с фокусным расстоянием больше чем нормальный объектив, некоторые широкоугольные объективы (шире, чем нормальный), а другие охватывают диапазон от широкоугольного до длиннофокусного. Объективы из последней группы зум-объективов, иногда называемые «обычными» зумами.[нужна цитата ], вытеснили объектив с фиксированным фокусным расстоянием как популярный вариант выбора одного объектива на многих современных камерах. Маркировка на этих линзах обычно гласит W и Т для «Широкоугольный» и «Телеобъектив». Телеобъектив обозначается потому, что большее фокусное расстояние, обеспечиваемое отрицательно расходящейся линзой, больше, чем длина всего объектива в сборе (отрицательная расходящаяся линза действует как «телеобъектив»).[5]

Необычный вид с прицепным увеличением VLT здание телескопа[6]

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 цифровое увеличение и создает изображение нижнего оптическое разрешение чем оптический зум. Точно такой же эффект можно получить, используя цифровая обработка изображений программное обеспечение на компьютере, чтобы обрезать цифровое изображение и увеличить обрезанную область. Многие цифровые камеры имеют и то, и другое, комбинируя их сначала с помощью оптического, а затем цифрового зума.

Объективы с зумом и суперзумом обычно используются с Все еще, видео, кинофильм камеры, проекторы, немного бинокль, микроскопы, телескопы, оптические прицелы, и другие оптические инструменты. В дополнение афокальный часть зум-объектива можно использовать как телескоп переменной увеличение сделать регулируемый расширитель луча. Это можно использовать, например, для изменения размера лазер луч так, чтобы сияние балки можно варьировать.

История

Voigtländer Zoomar, 36–82 мм ж/2.8

Ранние формы зум-объективов использовались в оптические телескопы для обеспечения непрерывного изменения увеличение изображения, и об этом впервые было сообщено в протоколе Королевское общество в 1834 году. патенты за телеобъективы также включены подвижные элементы объектива, которые можно регулировать для изменения общего фокусного расстояния объектива. Такие линзы теперь называются варифокальные линзы, поскольку при изменении фокусного расстояния положение фокальной плоскости также перемещается, что требует перефокусировки линзы после каждого изменения.

Первая правда увеличить Линза, которая сохранила почти резкий фокус при изменении эффективного фокусного расстояния линзы в сборе, была запатентована в 1902 г. Клайл С. Аллен (Патент США 696788 ). Раннее использование зум-объектива в кино можно увидеть в первом кадре фильма «Оно» с Кларой Боу в главной роли, снятого в 1927 году. Белл и Хауэлл Кук Объектив "Varo" 40–120 мм для 35-мм кинокамер, представленный в 1932 году. Самым впечатляющим ранним телеобъективом с зумом был VAROTAL III, от Ранг Тейлор Хобсон из Великобритании, построенный в 1953 году. Килфитт 36–82 мм / 2,8 Zoomar представленный в 1959 году, был первым серийно выпускаемым варифокальным объективом для фотосъемки. 35 мм фотография.[7] Первый современный пленочный зум-объектив Pan-Cinor был разработан примерно в 1950 г. Роджер Кювилье, французский инженер, работающий на SOM-Berthiot. У него была система оптического компенсационного масштабирования. В 1956 г. 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 прототип 35-мм версии 4-кратного зума Angénieux, 35-140 мм, был впервые использован кинематографистом Роджером Феллусом. по постановке Жюли Ла Рус. В 1964 году Анженье получил техническую награду Академии кино за разработку зум-объективов 10: 1, включая 12–120 мм для пленочных камер 16 мм и 25–250 мм для пленочных камер 35 мм.

С тех пор прогресс в оптическом дизайне, особенно в использовании компьютеры для оптических трассировка лучей, значительно упростил конструирование зум-объективов, и теперь они широко используются в профессиональной и любительской фотографии.

Canon AE-1, 35-мм фотоаппарат с зум-объективом. Преимущество зум-объектива - гибкость, но недостатком - оптическое качество. По сравнению с объективом с постоянным фокусным расстоянием качество изображения выше.

Дизайн

Простая система зум-объективов. Три линзы афокальной системы L1, L2, L3 (слева направо). L1 и L2 может перемещаться влево и вправо, изменяя общее фокусное расстояние системы (см. изображение ниже).

Существует множество возможных конструкций зум-объективов, самые сложные из которых содержат до тридцати отдельных линз и несколько движущихся частей. Однако большинство из них придерживаются одного и того же основного дизайна. Обычно они состоят из ряда отдельных линз, которые могут быть либо фиксированными, либо скользящими в осевом направлении вдоль тела линзы. При изменении увеличения трансфокатора необходимо компенсировать любое движение фокальной плоскости, чтобы сфокусированное изображение оставалось резким. Эта компенсация может выполняться механическими средствами (перемещение всего объектива в сборе при изменении увеличения объектива) или оптическим способом (изменение положения фокальной плоскости как можно меньше во время увеличения объектива).

Простая схема зум-объектива делит узел на две части: фокусирующий объектив, подобный стандартному фотографическому объективу с фиксированным фокусным расстоянием, которому предшествует афокальный система масштабирования, расположение фиксированных и подвижных элементов линзы, которое не фокусирует свет, но изменяет размер луча света, проходящего через него, и, следовательно, общее увеличение системы линз.

Движение линз в афокальный система масштабирования

В этом простом зум-объективе с оптической компенсацией афокальная система состоит из двух положительных (собирающих) линз с одинаковым фокусным расстоянием (линзы L1 и L3) с отрицательной (расходящейся) линзой (L2) между ними, с абсолютным фокусным расстоянием менее половины от положительных линз. Линза L3 фиксируется, но линзы L1 и L2 может перемещаться в осевом направлении в определенной нелинейной зависимости. Это движение обычно выполняется сложным расположением шестерен и кулачков в корпусе объектива, хотя в некоторых современных зум-объективах используется компьютерное управление. сервоприводы для выполнения этого позиционирования.

Пока отрицательная линза L2 перемещается от передней части к задней части линзы, линза L1 движется вперед, а затем назад по параболической дуге. При этом изменяется общее угловое увеличение системы, изменяя эффективное фокусное расстояние всего зум-объектива. В каждой из трех показанных точек трехлинзовая система является афокальной (ни рассеивающей, ни сужающей свет) и, следовательно, не меняет положение фокальной плоскости линзы. Между этими точками система не является точно афокальной, но изменение положения фокальной плоскости может быть достаточно небольшим (около ± 0,01 мм в хорошо спроектированном объективе), чтобы не вносить значительных изменений в резкость изображения.

Важным вопросом в конструкции зум-объектива является коррекция оптических аберраций (например, Хроматическая аберрация и, в частности, кривизна поля ) во всем рабочем диапазоне объектива; с зум-объективом это значительно сложнее, чем с фиксированным объективом, которому нужно только исправить аберрации 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 в узком диапазоне f-числа. Современные методы проектирования оптики позволили создавать зум-объективы с хорошей коррекцией аберраций при широком диапазоне фокусных расстояний и диафрагм.

В то время как линзы, используемые в кинематографии и видео приложениях, должны поддерживать фокусировку при изменении фокусного расстояния, такого требования нет для неподвижной фотографии и для зум-объективов, используемых в качестве проекционных линз. Поскольку сложнее сконструировать объектив, который не меняет фокус с таким же качеством изображения, как тот, который это делает, в последних приложениях часто используются линзы, требующие перефокусировки после изменения фокусного расстояния (и, таким образом, строго говоря, варифокальные линзы, а не зум-объективы). Как и большинство современных фотоаппаратов автофокусировка, это не проблема.

Разработчики зум-объективов с большим коэффициентом увеличения часто используют одну или несколько аберраций для повышения резкости изображения. Например, большая степень бочонка и подушечки для булавок. искажение Допускается в объективах, охватывающих диапазон фокусных расстояний от широкоугольного до телефото с фокусным отношением 10 × или более, чем было бы допустимо для объектива с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объектива с меньшим соотношением. Хотя современные методы проектирования постоянно сокращают эту проблему, бочкообразное искажение более одного процента является обычным явлением для этих объективов с большим светосилом. Еще одна уплаченная цена заключается в том, что при экстремальной настройке телеобъектива эффективное фокусное расстояние значительно изменяется, когда объектив фокусируется на более близких объектах. Кажущееся фокусное расстояние может уменьшиться более чем вдвое, когда объектив сфокусирован от бесконечности до среднего крупного плана. В меньшей степени этот эффект также наблюдается в объективах с фиксированным фокусным расстоянием, которые перемещают внутренние элементы объектива, а не весь объектив, для изменения увеличения.

Варифокальный объектив

Многие так называемые зум-объективы, особенно в случае камер с фиксированным объективом, на самом деле варифокальные линзы, что дает разработчикам объективов большую гибкость в выборе компромиссов в оптическом дизайне (диапазон фокусных расстояний, максимальная диафрагма, размер, вес, стоимость) по сравнению с истинным парфокальным зумом, и что практично из-за автофокусировки и поскольку процессор камеры может перемещать объектив в компенсировать изменение положения фокальной плоскости при изменении увеличения («масштабирование»), делая операцию практически такой же, как и при истинном парфокальном увеличении.[нужна цитата ]

Смотрите также

По фокусному расстоянию

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Кавана, Роджер (29 мая 2003 г.). "Парфрокальные линзы". Архивировано из оригинал на 2007-10-07. Получено 2007-11-18.
  2. ^ "Обзор объектива Tamron 18-270mm f / 3.5-6.3 Di II VC LD". В архиве из оригинала 16 января 2013 г.. Получено 20 марта, 2013.
  3. ^ LetsGoDigital. «Panavision представляет объектив с цифровым зумом 300x - LetsGoDigital». www.letsgodigital.org. В архиве из оригинала 5 сентября 2017 г.. Получено 1 мая 2018.
  4. ^ «Объективы для телекамер на Олимпиаде могут стоить столько же, сколько Lamborghini». Популярная наука. Получено 2020-02-01.
  5. ^ Шиэн, Джон (12 июня 2003 г.). Управление деловой и корпоративной авиацией: авиаперелеты по требованию: авиаперелеты по требованию. McGraw Hill Professional. ISBN  9780071412278. Получено 1 мая 2018 - через Google Книги.
  6. ^ «Возможности финансирования в Чили (Anuncio de Oportunidades)». Анонсы ESO. В архиве из оригинала 2 мая 2014 г.. Получено 2 мая 2014.
  7. ^ Дешин, Яков (15 марта 1959). "Zoom Lens для фотографий". Нью-Йорк Таймс. Получено 12 сентября, 2017.

Источники

  • Кингслейк, Р. (1960), "Развитие зум-объектива". Журнал SMPTE 69, 534
  • Кларк, AD (1973), Трансфокаторы, монографии по прикладной оптике № 7. Адам Хилдгер (Лондон).
  • Малакара, Даниэль и Малакара, Закариас (1994), Справочник по дизайну линз. Марсель Деккер, Inc. ISBN  0-8247-9225-4
  • "Что находится внутри зум-объектива?". Adaptall-2.com. 2005 г.