Объективы с переменным фокусным расстоянием (ОПФ) получили широкое распространение благодаря ряду функциональных преимуществ, в частности:
использованию одного объектива вместо нескольких;
возможности получения произвольного масштаба изображения при съемке с одной и той же точки;
рациональному построению кадра, что особенно важно при работе с цветной обращаемой пленкой, когда кадрирование при печати исключено;
получению специальных эффектов при многократной съемке на один кадр;
улучшению эргономических показателей и др.
Первый съемочный ОПФ был создан в 1947 г.
После появления в 1959 г. объектива «Фохтлендер-зумар» (2,8/36 - 82), предназначенного для малоформатного фотоаппарата, начался период бурного развития рассматриваемых объективов. В 60-е годы в основном выпускались нормальные и длиннофокусные объективы. В следующем десятилетии были разработаны короткофокусные (4,5/28 - 45, 1975; 3,5 - 4/21 - 35, 1979).
Если выпущенный в 1972 г. объектив реализовал только длиннофокусный диапазон с кратностью, равной 6 (4,5/50 - 300), то в 1981 г. был изготовлен объектив почти той же кратности, но использующий уже диапазон от широкоугольного до телеобъектива (3,5 - 4,5/35 - 200). Тогда же был создан зеркальный ОПФ (8 - 12/400 - 600).
Кроме указанных выше объективов для формата кадра 24Х36 мм были разработаны ОПФ для форматов 13Х17 (1980), 18Х24 (1963), 60Х60 мм (1968).
Еще одним направлением развития ОПФ стали объективы со встроенным устройством для автоматической наводки на резкость.
Первый отечественный ОПФ (для малоформатного фотоаппарата) «Рубин-1» (2,8/37 - 80) был создан еще в 1963 г. Из наших ОПФ назовем также «Рубин-2а», «Гранит-11», МС «Гранит-11Н» (4,5/80 - 200), «Вариозенитар» (5,6/100 - 200).
В начале 80-х гг. мировая фотопромышленность выпускала более 100 наименований ОПФ, фокусное расстояние которых находилось в диапазоне 21 - 4000 мм, а кратность увеличения - 1,3 - 6
Рассмотрим принцип работы, основные характеристики и устройство ОПФ.
Оптические системы переменного увеличения делят на устройства с дискретным изменением увеличения и устройства с непрерывным изменением увеличения. Последние, называемые панкратическими, в свою очередь подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы. У вариообъектива изменение фокусного расстояния осуществляется посредством непрерывного перемещения одного или ряда компонентов вдоль оптической оси. Трансфокатор представляет собой систему, состоящую из афокальной панкратической насадки с переменным угловым увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием.
Данные объективы отличают многообразие конструкций, в основу которых положены разные принципы; оптические схемы с различным количеством, формой, расположением линз и компонентов; разные законы их перемещения; разные способы получения изменяющихся параметров.
Это, естественно, привело к разработке ряда классификаций, построенных по следующим признакам: формат кадра, фокусное расстояние, способ перемещения компонентов.
К ОПФ предъявляются следующие требования:
непрерывное изменение фокусного расстояния;
сохранение заданного максимально допустимого смещения плоскости изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний;
постоянное значение относительного отверстия;
по возможности линейный закон движения компонентов;
высокое качество изображения, не уступающее качеству, получаемому с помощью объективов с постоянным фокусным расстоянием;
минимальные габаритные размеры и масса.
Остановимся подробнее на схемных решениях рассматриваемых объективов.
По методу сохранения положения плоскости изображения при изменении фокусного расстояния ОПФ подразделяют на объективы с оптической компенсацией (в случае линейного перемещения компонентов) и механической компенсацией (нелинейного).
У первых насколько перемещается внутренняя группа линз, которая обеспечивает изменение фокусного расстояния, настолько же перемещается и другая группа линз, предназначенная для сохранения положения плоскости изображения (рис. 61). Для этих объективов характерна кратность увеличения не более трех.
Названные ограничения вызвали разработку принципа механической компенсации (рис. 62), при которой кулачковое устройство реализует нелинейный закон движения группы линз, обеспечивающих наводку на резкость. Применение этого метода позволило довести кратность увеличения до шести при большем относительном отверстии.
Известны схемы объективов, в которых постоянство плоскости изображения выдерживается только при установке системы в положении «∞», а на остальных дистанциях требуется дополнительная подфокусировка.
Как правило, объективы 60-х гг. представляли собой оптическую систему, состоящую из положительного переднего фокусирующего компонента; установленного за ним подвижного отрицательного компонента, изменяющего фокусное расстояние; положительного или отрицательного компенсирующего компонента с расположенным за ним неподвижным задним компонентом.
На рис. 63 представлены оптические схемы ОПФ, направление и закон перемещения компонентов современных объективов к малоформатным фотоаппаратам. Направление перемещения компонентов приведено для случая изменения фокусного расстояния от f мин до f макс.
Рис. 63. Оптические схемы объективов с переменным фокусным расстоянием. Перемещение компонентов при изменении фокусного расстояния (А, В, С - подвижные группы объектива)
Анализ развития ОПФ показывает, что, как правило, длиннофокусные объективы с большой кратностью увеличения представляют собой четырехгрупповые конструкции, а нормальные объективы с увеличением порядка 2х - двухгрупповые. Схемы трехгрупповых ОПФ с механической компенсацией предпочтительнее для светосильных телеобъективов, они не-пригодны для широкоугольного диапазона, ибо приводят к значительному росту габаритов. Разработка двухгрупповых ретрофокусных конструкций привела к созданию короткофокусных объективов.
В трехгрупповых объективах 70-х годов вдоль оптической оси могли перемещаться 1-я и 2-я группы, в объективах начала 80-х гг. подвижными стали делать все группы. В ряде объективов перемещение задней группы используется для изменения фокусного расстояния, особенно при установке больших значений фокусного расстояния.
Одной из проблем при разработке ОПФ является сохранение постоянного относительного отверстия. Дело в том, что при больших фокусных расстояниях стремление сохранить относительное отверстие приводит к резкому увеличению диаметра переднего компонента, усложнению и удорожанию объектива. Вот почему некоторые объективы выпускают с переменным относительным отверстием.
Правда, ряд специалистов полагает, что это допустимо при применении автоматизированных зеркальных фотоаппаратов, использующих измерение света за объективом.
В объективах, выпущенных в последние годы, фокусировка производится посредством перемещения всего объектива или отдельных его компонентов, причем обычно за счет перемещения передней группы или ее элементов.
Одной из проблем, с которыми встречается разработчик объектива, является обеспечение достаточной освещенности на краю изображения при съемке с близкого расстояния. Поэтому у ОПФ минимальная дистанция съемки по абсолютной величине больше, чем соответствующая дистанция объективов, имеющих постоянное фокусное расстояние. Для обеспечения возможности указанной съемки введена макрофокусировка.
Для коррекции аберраций на ближних дистанциях используется устройство с подвижным оптическим элементом. В зависимости от конструкции объектива макрофокусировку осуществляют при установке минимального или максимального фокусных расстояний, а также во всем диапазоне - от f мин до f макс, что позволяет вести съемку на расстоянии 10 - 20 см в масштабе 1:4 - 1:5.
Интересной особенностью некоторых объективов является то, что при установке режима макросъемки автоматически устанавливается нормальное фокусное расстояние.
Рассматриваемые объективы эргономичны. Управление объективом производится либо раздельным поворотом колец установки фокусного расстояния и фокусировки, либо эти два кольца совмещают (предложено в 1953 г.). Тогда наводка на резкость производится поворотом кольца, а изменение фокусного расстояния - движением того же кольца вдоль оптической оси объектива. В последние годы появились объективы, в которых указанные операции совмещены еще с установкой объектива на режим макрофокусировки.
Обычно установку режима макрофокусировки осуществляют поворотом кольца установки фокусного расстояния за отметку f мин, либо поворотом отдельного кольца с фиксирующим элементом.
Известны также длиннофокусные объективы, фокусировка которых производится поворотом специальной рукоятки, а установка фокусного расстояния - перемещением объектива вдоль оптической оси с помощью той же рукоятки.
Выпускаемые в настоящее время ОПФ, за исключением светосильных, не уступают по качеству изображения (кроме дисторсии) объективам с постоянным фокусным расстоянием.
Назовем основные тенденции развития ОПФ:
улучшение качества изображения;
совершенствование оптической схемы;
увеличение кратности увеличения изображения;
увеличение угла поля зрения;
увеличение относительного отверстия;
расширение номенклатуры, особенно в области светосильных широкоугольных объективов;
введение устройств для макрофокусировки;
уменьшение габаритных размеров и массы;
повышение эргономических показателей за счет совмещения органов управления.
