Zoomobjektiv - Zoom lens
Ein Zoom - Objektiv ist eine mechanische Anordnung von Linsenelementen , für die die Brennweite (und damit Blickwinkel ) verändert werden kann, wie auf eine Festbrennweite (FFL) Objektiv (siehe Gegensatz prime Linse ).
Ein echtes Zoomobjektiv, auch Parfokalobjektiv genannt , behält den Fokus bei, wenn sich seine Brennweite ändert. Die meisten Consumer-Zoomobjektive behalten keinen perfekten Fokus bei, sind aber dennoch parfokale Designs. Die meisten Kamerahandys, die mit optischem Zoom beworben werden, verwenden tatsächlich einige Kameras mit unterschiedlicher, aber fester Brennweite, kombiniert mit digitalem Zoom, um ein Hybridsystem zu bilden.
Der Komfort der variablen Brennweite geht auf Kosten der Komplexität – und einige Kompromisse bei Bildqualität, Gewicht, Abmessungen, Blende, Autofokusleistung und Kosten. Beispielsweise leiden alle Zoomobjektive unter zumindest geringfügigen, wenn nicht sogar erheblichen Verlusten an Bildauflösung bei ihrer maximalen Blendenöffnung, insbesondere an den Extremen ihres Brennweitenbereichs. Dieser Effekt ist in den Ecken des Bildes sichtbar, wenn es im Großformat oder in hoher Auflösung angezeigt wird. Je größer der Brennweitenbereich eines Zoomobjektivs ist, desto übertriebener müssen diese Kompromisse werden.
Eigenschaften
Zoomobjektive werden oft durch das Verhältnis ihrer längsten zur kürzesten Brennweite beschrieben. Beispielsweise kann ein Zoomobjektiv mit Brennweiten im Bereich von 100 mm bis 400 mm als 4:1- oder "4×"-Zoom bezeichnet werden. Der Begriff Superzoom oder Hyperzoom wird verwendet, um fotografische Zoomobjektive mit sehr großen Brennweitenfaktoren zu beschreiben, typischerweise mehr als 5× und bis zu 19× in SLR-Kameraobjektiven und 22× in Amateur- Digitalkameras . Dieses Verhältnis kann bei professionellen Fernsehkameraobjektiven bis zu 300× betragen. Seit 2009 können fotografische Zoomobjektive über etwa 3× im Allgemeinen keine Bildqualität liefern, die mit Festbrennweiten vergleichbar ist . Zooms mit konstanter schneller Blende (normalerweise f/ 2,8 oder f/ 2,0) sind normalerweise auf diesen Zoombereich beschränkt. Bei der Aufnahme von Bewegtbildern mit niedriger Auflösung ist die Qualitätseinbuße weniger wahrnehmbar, weshalb professionelle Video- und TV-Objektive über hohe Zoomverhältnisse verfügen. TV-Objektive mit hohem Zoomverhältnis sind komplex, mit Dutzenden von optischen Elementen, die oft mehr als 25 kg wiegen. Die digitale Fotografie kann auch Algorithmen aufnehmen, die optische Fehler kompensieren, sowohl in den kamerainternen Prozessoren als auch in der Postproduktionssoftware.
Einige fotografischen Zoom - Objektive sind langbrennweitigen Objektive mit Brennweiten länger als eine normale Linse , einige sind Weitwinkelobjektive (breite als normale ) und andere decken einen Bereich von Weitwinkel bis langbrennweitigen. Objektive in der letzteren Gruppe von Zoomobjektiven, die manchmal als "normale" Zooms bezeichnet werden, haben das Objektiv mit fester Brennweite als beliebte Ein-Linsen-Auswahl bei vielen modernen Kameras verdrängt. Die Markierungen auf diesen Objektiven lauten normalerweise W und T für "Wide" und "Telephoto". Tele wird bezeichnet, weil die längere Brennweite, die von der negativen Zerstreuungslinse geliefert wird, länger ist als die gesamte Linsenanordnung (die negative Zerstreuungslinse wirkt als "Telefotogruppe").
Einige Digitalkameras ermöglichen das Zuschneiden und Vergrößern eines aufgenommenen Bildes, um den Effekt eines Zoomobjektivs mit längerer Brennweite (kleinerer Bildwinkel) zu emulieren. Dies wird allgemein als digitaler Zoom bezeichnet und erzeugt ein Bild mit geringerer optischer Auflösung als der optische Zoom. Genau der gleiche Effekt kann erzielt werden, indem man eine digitale Bildverarbeitungssoftware auf einem Computer verwendet, um das digitale Bild zuzuschneiden und den zugeschnittenen Bereich zu vergrößern. Viele Digitalkameras haben beides und kombinieren sie, indem sie zuerst den optischen und dann den digitalen Zoom verwenden.
Zoom und Superzoom - Objektive werden häufig verwendet , mit noch , Video , Filmkameras , Projektoren , einige Ferngläser , Mikroskope , Teleskope , Zielfernrohre und andere optische Instrumente . Darüber hinaus kann der afokale Teil eines Zoomobjektivs als Teleskop mit variabler Vergrößerung verwendet werden , um einen einstellbaren Strahlaufweiter herzustellen . Dies kann beispielsweise verwendet werden, um die Größe eines Laserstrahls zu ändern , so dass die Bestrahlungsstärke des Strahls variiert werden kann.
Geschichte
Frühe Formen von Zoomobjektiven wurden in optischen Teleskopen verwendet , um eine kontinuierliche Variation der Vergrößerung des Bildes zu ermöglichen, und dies wurde erstmals 1834 in den Verfahren der Royal Society berichtet . Frühe Patente für Teleobjektive umfassten auch bewegliche Linsenelemente, die eingestellt werden konnten um die Gesamtbrennweite des Objektivs zu ändern. Objektive dieser Art werden heute als Varifokallinsen bezeichnet , da sich bei einer Änderung der Brennweite auch die Lage der Brennebene verschiebt, so dass nach jedem Wechsel eine Neufokussierung des Objektivs erforderlich ist.
Das erste echte Zoomobjektiv , das einen nahezu scharfen Fokus beibehielt, während die effektive Brennweite der Objektivanordnung geändert wurde, wurde 1902 von Cile C. Allen patentiert ( US-Patent 696,788 ). Ein früher Einsatz des Zoomobjektivs im Kino ist in der Eröffnungseinstellung des Films "It" mit Clara Bow aus dem Jahr 1927 zu sehen. Die erste industrielle Produktion war das Bell und Howell Cooke "Varo" 40–120 mm Objektiv für 35mm-Filme Kameras, die 1932 eingeführt wurden. Das beeindruckendste frühe TV-Zoomobjektiv war das VAROTAL III von Rank Taylor Hobson aus Großbritannien, Baujahr 1953. Das 1959 eingeführte Kilfitt 36–82 mm/2,8 Zoomar war das erste Varifokalobjektiv in regulärer Produktion für Standbild 35 mm Fotografie. Das erste moderne Filmzoomobjektiv, das Pan-Cinor, wurde um 1950 von Roger Cuvillier entworfen , einem französischen Ingenieur, der für SOM-Berthiot arbeitete . Es hatte ein optisches Kompensationszoomsystem. 1956 führte Pierre Angénieux das mechanische Kompensationssystem ein, das eine präzise Fokussierung beim Zoomen in seinem 1958 veröffentlichten 17-68-mm-Objektiv für 16 mm ermöglichte. Im selben Jahr war das 35-140 mm ein Prototyp der 35-mm-Version des 4-fach-Zooms von Angénieux verwendet von Kameramann Roger Fellous für die Produktion von Julie La Rousse. Angénieux erhielt 1964 einen technischen Preis von der Filmakademie für das Design der 10 zu 1 Zoomobjektive, einschließlich des 12-120 mm für 16-mm-Filmkameras und des 25-250 mm für 35-mm-Filmkameras.
Seitdem haben Fortschritte im optischen Design, insbesondere der Einsatz von Computern für optisches Raytracing , das Design und die Konstruktion von Zoomobjektiven erheblich erleichtert, und sie werden heute in der professionellen und Amateurfotografie weit verbreitet.
Design
Es gibt viele mögliche Konstruktionen für Zoomobjektive, wobei die komplexesten mehr als dreißig einzelne Linsenelemente und mehrere bewegliche Teile aufweisen. Die meisten folgen jedoch dem gleichen grundlegenden Design. Im Allgemeinen bestehen sie aus einer Anzahl einzelner Linsen, die entweder fixiert oder axial entlang des Linsenkörpers gleiten können. Während sich die Vergrößerung eines Zoomobjektivs ändert, ist es notwendig, jede Bewegung der Fokusebene auszugleichen, um das fokussierte Bild scharf zu halten. Diese Kompensation kann mechanisch (Bewegen der gesamten Linsenanordnung bei sich ändernder Vergrößerung des Objektivs) oder optisch (Anordnen der Position der Fokusebene so wenig wie möglich während des Zoomens des Objektivs) erfolgen.
Ein einfaches Schema für ein Zoomobjektiv teilt die Baugruppe in zwei Teile: ein Fokussierobjektiv ähnlich einem Standard-Fotoobjektiv mit fester Brennweite, dem ein afokales Zoomsystem vorangestellt ist , eine Anordnung von festen und beweglichen Linsenelementen, die den Licht, sondern verändert die Größe eines Lichtstrahls, der durch ihn hindurchgeht, und damit die Gesamtvergrößerung des Linsensystems.
Bei diesem einfachen optisch kompensierten Zoomobjektiv besteht das afokale System aus zwei positiven (Sammel-)Linsen gleicher Brennweite (Linsen L 1 und L 3 ) mit einer negativen (Zerstreuungs-)Linse ( L 2 ) dazwischen mit absoluter Brennweite weniger als die Hälfte der Positivlinsen. Die Linse L 3 ist feststehend, aber die Linsen L 1 und L 2 können in einer bestimmten nichtlinearen Beziehung axial bewegt werden. Diese Bewegung wird normalerweise durch eine komplexe Anordnung von Zahnrädern und Nocken im Objektivgehäuse ausgeführt, obwohl einige moderne Zoomobjektive computergesteuerte Servos verwenden , um diese Positionierung durchzuführen.
Während sich die Negativlinse L 2 von der Vorderseite zur Rückseite der Linse bewegt, bewegt sich die Linse L 1 in einem parabolischen Bogen vorwärts und dann rückwärts. Dabei variiert die Gesamtwinkelvergrößerung des Systems, wodurch sich die effektive Brennweite des kompletten Zoomobjektivs ändert. An jedem der drei gezeigten Punkte ist das Drei-Linsen-System afokal (weder divergiert noch das Licht konvergierend) und ändert daher nicht die Position der Brennebene der Linse. Zwischen diesen Punkten ist das System nicht genau afokal, aber die Variation der Fokusebenenposition kann klein genug sein (ca. ±0,01 mm bei einem gut konstruierten Objektiv), um die Schärfe des Bildes nicht wesentlich zu verändern.
Ein wichtiges Thema beim Design von Zoomobjektiven ist die Korrektur optischer Aberrationen (wie chromatische Aberration und insbesondere Bildfeldkrümmung ) über den gesamten Betriebsbereich des Objektivs; dies ist bei einem Zoomobjektiv erheblich schwieriger als bei einem Festobjektiv, das nur die Aberrationen für eine Brennweite korrigieren muss. Dieses Problem war ein wichtiger Grund für die langsame Aufnahme von Zoomobjektiven mit frühen Entwürfen deutlich schlechter als zeitgenössische festen Linsen und verwendbar nur mit einem engen Bereich der Sein f-Zahlen . Moderne optische Designtechniken haben die Konstruktion von Zoomobjektiven mit guter Aberrationskorrektur über stark variable Brennweiten und Blenden ermöglicht.
Während in Kinematographie- und Videoanwendungen verwendete Objektive erforderlich sind, um den Fokus beizubehalten, während die Brennweite geändert wird, besteht diese Anforderung für die Standfotografie und für Zoomobjektive, die als Projektionsobjektive verwendet werden, nicht. Da es schwieriger ist, ein Objektiv zu konstruieren, das den Fokus nicht mit der gleichen Bildqualität ändert wie eines, das dies tut, verwenden letztere Anwendungen oft Objektive, die nach einer Änderung der Brennweite nachfokussiert werden müssen (und sind daher streng genommen Varifokalobjektive , keine Zoomobjektive ). Da die meisten modernen Fotokameras über einen Autofokus verfügen , ist dies kein Problem.
Konstrukteure von Zoomobjektiven mit großen Zoomverhältnissen tauschen oft eine oder mehrere Aberrationen gegen eine höhere Bildschärfe ein. Beispielsweise wird bei Objektiven, die den Brennweitenbereich von Weitwinkel bis Tele mit einem Öffnungsverhältnis von 10× oder mehr abdecken , ein höherer Grad an tonnen- und kissenförmiger Verzeichnung toleriert, als dies bei einem Festbrennweitenobjektiv oder einem Zoomobjektiv mit akzeptabel wäre ein niedrigeres Verhältnis. Obwohl moderne Designmethoden dieses Problem kontinuierlich reduziert haben, ist bei diesen Objektiven mit großem Verhältnis eine tonnenförmige Verzerrung von mehr als einem Prozent üblich. Ein weiterer Preis ist, dass sich bei der extremen Teleeinstellung des Objektivs die effektive Brennweite erheblich ändert, während das Objektiv auf nähere Objekte fokussiert wird. Die scheinbare Brennweite kann sich mehr als halbieren, während das Objektiv von unendlich bis mittlerer Nahaufnahme fokussiert wird. In geringerem Maße wird dieser Effekt auch bei Objektiven mit fester Brennweite beobachtet, die anstelle des gesamten Objektivs interne Linsenelemente bewegen, um Vergrößerungsänderungen zu bewirken.
Gleitsichtglas
Viele sogenannte "Zoom"-Objektive, insbesondere im Fall von Kameras mit festem Objektiv, sind eigentlich Varifokalobjektive , was Objektivdesignern mehr Flexibilität bei optischen Designkompromissen (Brennweitenbereich, maximale Blende, Größe, Gewicht, Kosten) gibt als echtes Parfokal-Zoom, und das ist praktisch wegen des Autofokus und weil der Kameraprozessor das Objektiv bewegen kann, um die Positionsänderung der Fokusebene beim Ändern der Vergrößerung zu kompensieren ("Zoomen"), so dass die Bedienung im Wesentlichen die gleiche ist wie bei a echter parfokaler Zoom.
Siehe auch
- Nach Brennweite
Verweise
Zitate
Quellen
- Kingslake, R. (1960), "Die Entwicklung des Zoomobjektivs". Zeitschrift der SMPTE 69 , 534
- Clark, AD (1973), Zoom-Linsen, Monographien über angewandte Optik Nr. 7 . Adam Hildger (London).
- Malacara, Daniel und Malacara, Zacarias (1994), Handbook of Lens Design . Marcel Dekker, Inc. ISBN 0-8247-9225-4
- "Was steckt in einem Zoomobjektiv?" . Adaptall-2.com. 2005.