Когда кто-то читает о зум-объективах, относительно распространенный комментарий, который встречается в обзорах некоторых объективов (особенно объективов по более низкой цене), заключается в том, что объектив не такой резкий («мягкий») на одном или обоих концах диапазона увеличения фокусного расстояния. ,
Почему объектив имеет разные уровни резкости на разных фокусных расстояниях, и почему крайние значения будут худшими?
Ответы:
Предупреждение: это еще один из моих «книжных» ответов ... :-)
Давайте начнем с краткого обзора того, как работает зум-объектив. Рассмотрим простейшую конструкцию объектива - один элемент. Одна большая проблема с одноэлементным объективом состоит в том, что фокусное расстояние объектива определяет расстояние, которое элемент должен быть от плоскости / датчика пленки, чтобы сфокусировать сцену, поэтому необходимо, чтобы объектив 300 мм (например) 300 мм от датчика, чтобы сосредоточиться на бесконечности. И наоборот, широкоугольный объектив должен быть очень близко к плоскости пленки / сенсору, чтобы фокусироваться на бесконечности.
Дизайнеры объективов вскоре выяснили довольно крутой трюк: они могли создать длинное эффективное фокусное расстояние, поместив короткий элемент фокусного расстояния спереди, и (немного более слабый) отрицательный элемент позади него. При наличии отрицательного элемента свет попадает на плоскость пленки точно под тем же углом (ами), как если бы он преломлялся длинной линзой. Немного преувеличивая (или много), мы получаем подстановку, подобную следующей:
Оба объектива имеют одинаковое эффективное фокусное расстояние, но (очевидно, что второй) физически немного короче - ему не нужно торчать переднюю часть камеры так далеко.
Удвоенная верхняя линия во втором дизайне, однако, подводит нас ко второй точке: хроматической аберрации. «Внутренняя» линия представляет синий свет, проходящий через линзы, а «внешняя» линия - красный свет. Из-за более короткой длины волны синий свет всегда преломляется (изгибается) больше, когда проходит через линзу, чем красный свет. Однако в зависимости от стекла разница между преломлением красного и синего света может быть довольно большой или относительно небольшой.
Если мы выберем правильное стекло для переднего, а не для заднего элемента, мы сможем примерно достичь того, что показано на рисунке - величина дополнительного изгиба в переднем элементе точно компенсируется величиной дополнительного изгиба во втором элементе, поэтому красный и синий свет попадают в фокус точно вместе.
Однако с зум-объективом все получается не так просто. Чтобы получить зум-объектив, мы берем второй дизайн, но перемещаем задний элемент относительно переднего элемента. В этом случае, если мы передвинем передний элемент вперед, синий свет будет меньше расходиться с красным при входе во второй элемент, а поскольку позади второго элемента больше нет места, он будет согнут больше - как В результате, вместо того, чтобы сфокусироваться точно вместе, синий свет окажется «снаружи» красного света, который будет отображаться на изображении как хроматическая аберрация.
И наоборот, если задний элемент перемещается назад ближе к датчику, синий свет будет отклоняться дальше от красного света, когда он попадает на второй элемент. Затем, поскольку второй элемент находится ближе к датчику, он не будет сходиться с красным, поэтому он все равно будет «внутри» красного, когда попадет на датчик - опять же, хроматическая аберрация (но в противоположном направлении ).
Если бы мы оставили все как есть, все зум-объективы были бы довольно ужасными - каждое изменение фокусного расстояния давало бы огромное количество CA. Для борьбы с этим элементы сгруппированы. Вместо только переднего элемента и второго элемента, с одним, компенсирующим CA, введенным другим, у вас будет две группы элементов, каждая из которых компенсирует свой собственный CA, и перемещение групп относительно друг друга не сменить СА вообще.
Это все еще не так просто, хотя. Для группы элементов физически невозможно полностью компенсировать CA. Элемент всегда изгибает синий свет на некоторый угол , превышающий угол, на который он изгибает красный свет. В лучшем случае, если вы поместите элементы очень близко друг к другу, вы можете получить красный и синий свет, движущиеся очень близко друг к другу и почти параллельно, но все же немного разделенные. Если вы наклоните их друг к другу, они будут сходиться только на одном точном расстоянии; на любом другом расстоянии вы получите CA в одном или другом направлении.
Как уже отмечалось, однако, с зум-объективом, расстояния должны меняться. Что обычно собирается делать дизайнер объективов, так это стараться свести к минимуму СА наихудшего случая. Сделать это довольно легко (по крайней мере, теоретически): он смотрит на диапазон, через который перемещается задний элемент, и вычисляет угол, который приведет к сходимости точно в середине этого диапазона. Таким образом, он разделяет вещи, поэтому он будет получать СА в одном направлении, когда задний элемент перемещается ближе к датчику, и в другом направлении, когда он движется дальше. Конечно, это не просто задний элемент - он должен смотреть на комбинацию всех движений всех групп элементов (и, конечно, учитывать дисперсию, вносимую каждой из них).
Однако, как только он определил диапазон, он обычно сводит к минимуму наихудший случай, разделяя разницу - оптимизируя примерно середину диапазона, так что в каждом направлении становится немного хуже. Исключением является объектив, который предполагается использовать в основном на одном конце или другом. В этом случае может иметь смысл оптимизировать приблизительно для ожидаемого диапазона использования, и жить с фактом, что худший случай будет хуже, чем это должно быть на самом деле.
Конечно, это также рассматривает только один из нескольких факторов, важных для конструкции объектива - разработчик также должен принимать во внимание (по крайней мере) кому, астигматизм, виньетирование, искажение и сферическую аберрацию - не говоря уже о несколько мелких деталей, таких как размер, вес, стоимость и просто возможность изготовить настоящий объектив, который будет работать так, как он его задумал.
К сожалению, я также видел объективы, у которых центральные фокусные расстояния наихудшие, поэтому ваше предположение не всегда верно.
В основном зум сделан из движущихся оптических элементов, и они должны перемещаться относительно друг друга, чтобы изменить фокусное расстояние объектива. Оптические инженеры несут ответственность за оптимизацию производительности по всему зуму с фиксированным набором деталей в фиксированном порядке. Вы можете представить, что это сложный процесс.
Конечности более уязвимы для проблем, потому что оптические элементы вместе работают лучше всего в заданной позиции, и чем дальше от этой позиции, тем дальше от оптимальной производительности.
Конструкция объектива с зум-объективом, в отличие от конструкции объектива с простым (с фиксированным фокусным расстоянием), довольно сложна. С первичной линзой намного легче исправить оптические аберрации, такие как хроматическая аберрация, сферическая аберрация, искажение и т. Д., И т. Д. С меньшим количеством линз. Чем меньше элементов объектива (отдельные стеклянные линзы, используемые при изготовлении сложного объектива камеры), тем лучше будет качество изображения, поскольку каждый кусочек стекла влияет на фокусировку света.
Объективы с зум-объективом обычно содержат больше элементов, чем обычные, иногда значительно больше. Когда дело касается более широких фокусных расстояний, некоторые зум-объективы длиннее их фокусного расстояния и требуют «ретрофокальной» группы сзади. Все эти дополнительные линзовые элементы увеличивают оптические аберрации, а некоторые исправляют аберрации других линзовых элементов. В зум-объективе оптическая коррекция должна быть сделана таким образом, чтобы она обеспечивала наилучшее общее качество во всем диапазоне зума, что обычно означает, что где-то должен быть достигнут компромисс (не можете съесть свой пирог и съесть его тоже).
Зум-объективы обычно имеют «более острые» и «более мягкие» точки. Это не всегда в крайних пределах фокусного диапазона ... иногда это прямо в середине. Иногда компромисс достигается за счет резкости «края» изображения и резкости «центра», что может быть хуже на одном фокусном расстоянии, чем на другом. В любом случае, размещение переменного фокусного расстояния требует компромисса из-за необходимой сложности.
В объективах более высокого качества часто используется более совершенная оптика для коррекции аберраций, как правило, при значительных затратах. В объективе среднего диапазона можно просто использовать больше объективов для коррекции аберраций и игнорировать изменение аберраций во всем фокусном диапазоне. Профессиональный объектив высшего сорта будет учитывать изменчивость аберраций, использовать передовую оптику, такую как стекло высокой плотности, стекло с низкой дисперсией, асферические линзы, флюоритовые линзы, апохроматические линзы, дополнительные корректирующие группы и т. Д., Чтобы поддерживать высочайшее качество в фокусе. Диапазон зум-объектива. Компромиссы все же должны быть сделаны относительно основных линз, однако степень компромисса, как правило, гораздо меньше.
Линзы включают значительные исправления для отклонений. Эти нарушения известны как аберрации. Существует множество аберраций, некоторые из наиболее распространенных - сферические, астигматические, хроматические, коматозные, бочкообразные, подушкообразные, кривизны поля и не в фокусе.
Если бы этих аберраций не было, дизайн линз был бы очень простым. Просто поместите линзу или две в прямую линию, и вы получите идеальное изображение каждый раз. Но мы знаем, что эти отклонения существуют. Невозможно полностью исправить эти аберрации, за исключением одной точки. Чем больше таких аберраций, тем более «мягким» будет выглядеть изображение.
Можно свести к минимуму искажения в течение длительного периода времени, в основном за счет изготовления более дорогих линз. Более дорогие линзы получают из-за несферической формы линз, которые сложнее изготовить.
Чем больше вы удаляетесь от точки зрения объектива, тем мягче он будет. Изменения фокусных расстояний, диафрагмы и фокусного расстояния - все это влияет на приятное место. Таким образом, изменение любого из 3 ухудшит качество. Если объектив достаточно высокого качества, ухудшение качества будет едва заметным.