Lentes de zoom

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Lente de zoom Nikkor 28–200 mm, estendida para 200 mm à esquerda e recolhida para distância focal de 28 mm à direita

Uma lente zoom é um conjunto mecânico de elementos de lente para os quais a distância focal (e, portanto, o ângulo de visão ) pode ser variada, em oposição a uma lente de distância focal fixa (FFL) (consulte lente principal ).

Uma lente zoom verdadeira, também chamada de lente parfocal , é aquela que mantém o foco quando sua distância focal muda. [1] A maioria das lentes de zoom do consumidor não mantém o foco perfeito, mas ainda são projetos parfocais. A maioria dos telefones com câmera que são anunciados como tendo zoom óptico realmente usam algumas câmeras de distância focal diferente, mas fixa, combinadas com zoom digital para criar um sistema híbrido.

A conveniência da distância focal variável tem o custo da complexidade – e alguns compromissos na qualidade da imagem, peso, dimensões, abertura, desempenho do foco automático e custo. Por exemplo, todas as lentes de zoom sofrem pelo menos uma leve, se não considerável, perda de resolução de imagem em sua abertura máxima, especialmente nos extremos de sua faixa de distância focal. Esse efeito fica evidente nos cantos da imagem, quando exibida em grande formato ou alta resolução. Quanto maior a faixa de distância focal que uma lente zoom oferece, mais exagerados esses compromissos devem se tornar. [2]

Características

Uma fotografia tirada com uma lente zoom, cuja distância focal foi variada durante o curso da exposição

As lentes de zoom são frequentemente descritas pela proporção de suas distâncias focais mais longas e mais curtas. Por exemplo, uma lente de zoom com distâncias focais variando de 100 mm a 400 mm pode ser descrita como um zoom de 4:1 ou "4×". O termo superzoom ou hiperzoom é usado para descrever lentes de zoom fotográfico com fatores de distância focal muito grandes, normalmente mais de 5× e variando até 19× em lentes de câmeras SLR e 22× em câmeras digitais amadoras . Essa proporção pode chegar a 300× em lentes de câmeras de televisão profissionais. [3] A partir de 2009, as lentes de zoom fotográfico além de cerca de 3× geralmente não podem produzir qualidade de imagem no mesmo nível das lentes prime . Zooms de abertura rápida constante (geralmente f /2.8 ou f/2.0) são normalmente restritos a essa faixa de zoom. A degradação da qualidade é menos perceptível ao gravar imagens em movimento em baixa resolução, razão pela qual as lentes de vídeo e TV profissionais podem apresentar altas taxas de zoom. As lentes de TV com alta taxa de zoom são complexas, com dezenas de elementos ópticos, geralmente pesando mais de 25 kg (55 lb). [4] A fotografia digital também pode acomodar algoritmos que compensam falhas ópticas, tanto nos processadores na câmera quanto no software de pós-produção.

Algumas lentes de zoom fotográfico são lentes de foco longo , com distâncias focais maiores que uma lente normal , algumas são lentes grande angular (mais largas que o normal ) e outras cobrem uma faixa de grande angular a foco longo. As lentes do último grupo de lentes de zoom, às vezes chamadas de zooms "normais", [ carece de fontes ] substituíram a lente de distância focal fixa como a seleção popular de uma lente em muitas câmeras contemporâneas. As marcações nessas lentes geralmente dizem W e Tpara "Amplo" e "Telefoto". A telefoto é designada porque a distância focal mais longa fornecida pela lente divergente negativa é maior do que o conjunto geral da lente (a lente divergente negativa atuando como o "grupo de telefoto"). [5]

Visão inusitada de zoom de arrasto de um edifício do telescópio VLT [6]

Algumas câmeras digitais permitem cortar e ampliar uma imagem capturada, para emular o efeito de uma lente zoom de distância focal maior (ângulo de visão mais estreito). Isso é comumente conhecido como zoom digital e produz uma imagem de resolução óptica mais baixa do que o zoom óptico. Exatamente o mesmo efeito pode ser obtido usando um software de processamento de imagem digital em um computador para cortar a imagem digital e ampliar a área cortada. Muitas câmeras digitais têm ambos, combinando-os usando primeiro o zoom óptico e depois o zoom digital.

As lentes de zoom e superzoom são comumente usadas com câmeras fotográficas , de vídeo , de imagens em movimento , projetores , alguns binóculos , microscópios , telescópios , miras telescópicas e outros instrumentos ópticos . Além disso, a parte afocal de uma lente zoom pode ser usada como um telescópio de ampliação variável para fazer um expansor de feixe ajustável . Isso pode ser usado, por exemplo, para alterar o tamanho de um feixe de laser de modo que a irradiância do feixe possa ser variada.

História

O Voigtländer Zoomar, 36–82 mm f /2.8

As primeiras formas de lentes de zoom foram usadas em telescópios ópticos para fornecer variação contínua da ampliação da imagem, e isso foi relatado pela primeira vez nos procedimentos da Royal Society em 1834. As primeiras patentes para lentes de telefoto também incluíam elementos de lente móveis que podiam ser ajustados para alterar a distância focal geral da lente. Lentes desse tipo são agora chamadas de lentes varifocais , pois quando a distância focal é alterada, a posição do plano focal também se move, exigindo refocalização da lente após cada mudança.

A primeira lente de zoom verdadeiro , que manteve o foco quase nítido enquanto a distância focal efetiva do conjunto da lente foi alterada, foi patenteada em 1902 por Clile C. Allen ( Patente dos EUA 696.788 ). Um uso precoce da lente zoom no cinema pode ser visto na cena de abertura do filme "It", estrelado por Clara Bow, de 1927. A primeira produção industrial foi a lente Bell and Howell Cooke "Varo" 40-120 mm para filme de 35 mm câmeras introduzidas em 1932. A lente Zoom de TV inicial mais impressionante foi a VAROTAL III, de Rank Taylor Hobson do Reino Unido, construída em 1953. A Kilfitt 36–82 mm/2.8 Zoomarintroduzida em 1959 foi a primeira lente varifocal em produção regular para fotografia de 35mm . [7] A primeira lente zoom de filme moderno, a Pan-Cinor, foi projetada por volta de 1950 por Roger Cuvillier , um engenheiro francês que trabalhava para a SOM-Berthiot . Tinha um sistema de zoom de compensação óptica. Em 1956, Pierre Angénieuxintroduziu o sistema de compensação mecânica, permitindo foco preciso durante o zoom, em sua lente 17-68mm para 16mm lançada em 1958. No mesmo ano um protótipo da versão 35mm do zoom 4x Angénieux, o 35-140mm foi usado pela primeira vez pelo diretor de fotografia Roger Fellous para a produção de Julie La Rousse. Angénieux recebeu em 1964 um prêmio técnico da academia de cinema pelo design das lentes zoom 10 para 1, incluindo a 12-120mm para câmeras de filme de 16mm e a 25-250mm para câmeras de filme de 35mm.

Desde então, os avanços no design óptico, particularmente o uso de computadores para rastreamento de raios ópticos , tornaram o design e a construção de lentes de zoom muito mais fáceis, e agora são amplamente usadas em fotografia profissional e amadora.

Canon AE-1, uma câmera de 35 mm com lente zoom. A vantagem de uma lente zoom é a flexibilidade, mas a desvantagem é a qualidade óptica. As lentes prime têm uma qualidade de imagem maior em comparação.

Projeto

Um sistema de lente zoom simples. As três lentes do sistema afocal são L 1 , L 2 , L 3 (a partir da esquerda). L 1 e L 2 podem se mover para a esquerda e para a direita, alterando a distância focal geral do sistema (veja a imagem abaixo).

Existem muitos designs possíveis para lentes de zoom, os mais complexos com mais de trinta elementos de lente individuais e várias partes móveis. A maioria, no entanto, segue o mesmo design básico. Geralmente consistem em várias lentes individuais que podem ser fixas ou deslizar axialmente ao longo do corpo da lente. Enquanto a ampliação de uma lente zoom muda, é necessário compensar qualquer movimento do plano focal para manter a imagem focada nítida. Essa compensação pode ser feita por meios mecânicos (movendo o conjunto completo da lente enquanto a ampliação da lente muda) ou opticamente (dispondo a posição do plano focal para variar o mínimo possível enquanto a lente é ampliada).

Um esquema simples para uma lente de zoom divide o conjunto em duas partes: uma lente de focagem semelhante a uma lente fotográfica padrão de distância focal fixa, precedida por um sistema de zoom afocal , um arranjo de elementos de lente fixos e móveis que não focam o luz, mas altera o tamanho de um feixe de luz que passa por ela e, portanto, a ampliação geral do sistema de lentes.

Movimento de lentes em um sistema de zoom afocal

Nesta lente zoom opticamente compensada simples, o sistema afocal consiste em duas lentes positivas (convergentes) de igual distância focal (lentes L 1 e L 3 ) com uma lente negativa (divergente) ( L 2 ) entre elas, com uma distância focal absoluta menos da metade das lentes positivas. A lente L 3 é fixa, mas as lentes L 1 e L 2 podem ser movidas axialmente em uma relação não linear particular. Esse movimento geralmente é realizado por um arranjo complexo de engrenagens e cames no compartimento da lente, embora algumas lentes de zoom modernas usem servos controlados por computador para realizar esse posicionamento.

Enquanto a lente negativa L 2 se move da frente para trás da lente, a lente L 1 se move para frente e depois para trás em um arco parabólico. Ao fazer isso, a ampliação angular geral do sistema varia, alterando a distância focal efetiva da lente zoom completa. Em cada um dos três pontos mostrados, o sistema de três lentes é afocal (nem diverge ou converge a luz) e, portanto, não altera a posição do plano focal da lente. Entre esses pontos, o sistema não é exatamente afocal, mas a variação na posição do plano focal pode ser pequena o suficiente (cerca de ±0,01 mm em uma lente bem projetada) para não causar uma mudança significativa na nitidez da imagem.

Uma questão importante no design de lentes de zoom é a correção de aberrações ópticas (como aberração cromática e, em particular, curvatura de campo ) em toda a faixa de operação da lente; isso é consideravelmente mais difícil em uma lente zoom do que em uma lente fixa, que precisa apenas corrigir as aberrações para uma distância focal. Este problema foi uma das principais razões para a lenta absorção de lentes de zoom, com os primeiros designs sendo consideravelmente inferiores às lentes fixas contemporâneas e utilizáveis ​​apenas com uma faixa estreita de números f . As técnicas modernas de design óptico permitiram a construção de lentes de zoom com boa correção de aberração em distâncias e aberturas focais amplamente variáveis.

Enquanto as lentes usadas em aplicações de cinematografia e vídeo são necessárias para manter o foco enquanto a distância focal é alterada, não há tal exigência para fotografia e para lentes de zoom usadas como lentes de projeção. Como é mais difícil construir uma lente que não mude o foco com a mesma qualidade de imagem que uma que muda, as últimas aplicações geralmente usam lentes que exigem refocalização uma vez que a distância focal mudou (e, portanto, estritamente falando, são lentes varifocais , não lentes de zoom ). Como a maioria das câmeras modernas tem foco automático , isso não é um problema.

Os projetistas de lentes de zoom com grandes taxas de zoom geralmente trocam uma ou mais aberrações por maior nitidez de imagem. Por exemplo, um maior grau de distorção de barril e almofada de alfinetesé tolerado em lentes que abrangem a faixa de distância focal de grande angular a telefoto com uma razão focal de 10× ou mais do que seria aceitável em uma lente de distância focal fixa ou uma lente zoom com uma razão menor. Embora os métodos modernos de design tenham reduzido continuamente esse problema, a distorção do barril de mais de um por cento é comum nessas lentes de grande proporção. Outro preço pago é que na configuração extrema de telefoto da lente a distância focal efetiva muda significativamente enquanto a lente está focada em objetos mais próximos. A distância focal aparente pode ser reduzida para mais da metade enquanto a lente é focada do infinito ao close-up médio. Em menor grau, esse efeito também é visto em lentes de distância focal fixa que movem os elementos internos da lente, em vez de toda a lente, para efetuar alterações na ampliação.

Lente varifocal

Muitas lentes chamadas "zoom", particularmente no caso de câmeras de lente fixa, são na verdade lentes varifocais , o que dá aos projetistas de lentes mais flexibilidade nas compensações de design óptico (faixa de distância focal, abertura máxima, tamanho, peso, custo) do que o zoom parfocal verdadeiro, e que é prático devido ao autofoco e porque o processador da câmera pode mover a lente para compensar a mudança na posição do plano focal enquanto altera a ampliação ("zoom"), tornando a operação essencialmente igual a uma verdadeiro zoom parfocal. [ citação necessária ]

Veja também

Por distância focal

Referências

Citações

  1. ^ Cavanagh, Roger (2003-05-29). "Lentes Parfrocal" . Arquivado a partir do original em 2007-10-07 . Recuperado em 2007-11-18 .
  2. ^ "Revisão da Lente Tamron 18-270mm f/3.5-6.3 Di II VC LD" . Arquivado do original em 16 de janeiro de 2013 . Recuperado em 20 de março de 2013 .
  3. ^ LetsGoDigital. "Panavision lança a lente Zoom Digital 300x – LetsGoDigital" . www.letsgodigital.org . Arquivado a partir do original em 5 de setembro de 2017 . Recuperado em 1 de maio de 2018 .
  4. "As lentes de câmeras de transmissão nas Olimpíadas podem custar tanto quanto uma Lamborghini" . Ciência Popular . Recuperado 2020-02-01 .
  5. Sheehan, John (12 de junho de 2003). Business and Corporate Aviation Management : On Demand Air Travel: On Demand Air Travel . Profissional da McGraw Hill. ISBN 9780071412278. Recuperado em 1 de maio de 2018 – via Google Livros.
  6. ^ "Oportunidades de financiamento no Chile (Anuncio de Oportunidades)" . Anúncios do ESO . Arquivado a partir do original em 2 de maio de 2014 . Recuperado em 2 de maio de 2014 .
  7. ^ Deschin, Jacob (15 de março de 1959). "Lens Zoom para Stills" . O New York Times . Recuperado em 12 de setembro de 2017 .

Fontes

  • Kingslake, R. (1960), "O desenvolvimento da lente zoom". Jornal do SMPTE 69 , 534
  • Clark, AD (1973), Zoom Lenses, Monographs on Applied Optics No. 7 . Adam Hildger (Londres).
  • Malacara, Daniel e Malacara, Zacarias (1994), Handbook of Lens Design . Marcel Dekker, Inc. ISBN 0-8247-9225-4 
  • "O que está dentro de uma lente de zoom?" . Adaptall-2.com. 2005.