Телевизионные объективы начала третьего тысячелетия
Леонид Чирков
Наука и технологии уже минувшего второго тысячелетия под занавес XX века доказали, что "…могут все. Ну почти все". Поэтому в третьем тысячелетии вместо телевизионных линзовых объективов - приборов очень дорогих и довольно хрупких - самое время обзавестись их имитацией, выполненной средствами интегральной оптики. Теоретически это дело простое. Изготавливается всего один эталонный прибор. Затем записывается его голограмма или, иными словами, интерференционное поле двух лучей. Один из них проходит через объектив, другой играет роль опорного. Строго говоря, запись следует выполнить для каждого разрешенного ракурса - операция более нудная, чем сложная. В итоге увесистый, достаточно большой по размерам прибор, который следует оберегать от ударов, влаги, солнечных лучей, повышенной и пониженной температуры и многого другого, будет, благодаря интегральной оптике (теоретически), заменен пластинкой - тонкой, легкой, возможно недорогой, вероятно ударопрочной и т.п. Повторю, в теории все это реально, но… Все это осуществимо, если вместо многослойных интерференционных покрытий использовать настоящую объемную запись в средах толщиной хотя бы в миллиметр или более. Вот это большое "маленькое" препятствие и тормозит прогресс в области интегральной оптики и, в частности, в создании телевизионных объективов нового поколения.
Долгое время киносъемочная и телевизионная техника ориентировались (конечно, не от хорошей жизни) исключительно на объективы с постоянными фокусными расстояниями. Различные виды съемок обеспечивались набором сменных объективов. А чтобы ускорить их смену, одно время применялся специальный механизм - турель (от французского слова tourelle - башенка). Турель - это вращающийся диск с отверстиями и посадочными местами для объективов и афокальных насадок. Простым поворотом турели можно было быстро установить перед камерой требуемый объектив из набора, подобранного в соответствии с режимом съемок. Совершенствование технологии производства оптических систем и, что крайне важно, развитие методов их расчета, включая расчетный синтез (в том числе компьютерный), позволили разработать и ввести в практику объективы с переменным фокусным расстоянием. Сейчас даже бытовые видеокамеры оснащаются такими, достаточно эффективными, объективами.
Первые перестраиваемые объективы с переменным фокусным расстоянием, или масштабированием (zooming) изображений, появились в середине пятидесятых годов. Так фирма Canon свой первый телевизионный объектив с ручной перестройкой переднего фокусного расстояния представила на рынок в 1955 году.
Примерно все семидесятые годы прошлого столетия в той сфере, которую можно называть телевизионной оптикой, шла серьезная конкурентная борьба между объективами с постоянным фокусным расстоянием и тогда новинкой - объективами с переменным фокусным расстоянием или, по-иностранному, вариообъективами. Современное телевидение практически полностью отказалось от объективов с постоянным фокусом. Одна из причин, естественно, это перманентный дефицит времени, которого сплошь и рядом может не хватить на смену объективов. И просто по-житейски - один вариообъектив всегда лучше большого набора "постоянников".
Пока основным изделием телевизионной оптики оставались объективы с постоянным фокусным расстоянием, производство которых относительно просто даже при достаточно жестких требованиях телевидения к подобной продукции, в мире действовало довольно много фирм, рисковавших изготавливать и торговать профессиональной телевизионной оптикой. Только в Европе их был добрый десяток. Сейчас де-факто - это триада: Angenieux (в Европе), Canon и Fujinon (в Японии).
 |
|
Рис. 1. Оптическая схема вариообъектива
|
Современный объектив - достаточно отработанный прибор. На рисунке приводится несколько упрощенная версия оптической схемы современного объектива. В его составе довольно много линз, которые, с некоторыми оговорками, можно разделить на три функциональные группы. Набор 1 - это фронтальная группа. Функционально она является тем, что принято называть объектной линзой объектива. К слову, группа 3 - это окуляр. Основная функция фронтальной группы - фокусировка объектива. Ее передняя и задняя линзы неподвижны. Перемещаются только внутренние линзы. Это обстоятельство подчеркивается термином "внутренняя фокусировка" (Inner Focus).
Группа 2 управляет главной функцией вариообъектива - переменным фокусным расстоянием. В ней надо выделить две подгруппы. Первая из них - 2.1 - перемещается по линейному закону, вторая - по нелинейному. Как правило, сразу за вариогруппой устанавливается ирисовая диафрагма. Группа 3 - это группа неподвижных линз. Именно она обеспечивает неподвижность плоскостей изображений, которые формирует объектив. Важны именно неподвижность и точное положение в пространстве, поскольку надо обеспечить их совмещение с поверхностью ПЗС (фотопреобразователей телевизионной камеры). В объективах со встроенным мультиплексором его группа линз также входит в группу 3.
Поверхности линз, как известно, сферические. В последние годы в группы линз объективов начали включать асферические элементы. С их помощью удается решать очень сложные задачи подавления аберрационных искажений. И еще, большое число линз в составе современных объективов имеет и оборотную (довольно неприглядную) сторону - большое число границ разделов сред с разными коэффициентами преломления света, на которых световые потоки не только преломляются, но также отражаются и частично поляризуются. В целом, это не только ухудшает общую прозрачность системы, но и ведет к появлению бликов. Современные технологии предлагают довольно эффективные средства борьбы с такими неприятностями. Интегральная оптика уже достаточно "поднаторела" в производстве просветляющих, антибликовых и иных многослойных покрытий.
Современные телевизионные объективы обязаны быть и являются двухформатными по изображению. Это форматы - 4:3 и 16:9. Сейчас в телевизионных камерах используются ПЗС нескольких размеров, а именно 2/3", 1/2" и 1/3". Приведенные цифры - это диагональный размер фоточувствительной части матриц в дюймах. Интересуясь конкретными объективами, об этом следует помнить. Телепроизводство в настоящее время может быть студийным или внестудийным, то есть полевым, натурным. Видеожурналистика - также специфическое направление телепроизводства. К нему в некоторых отношениях приближается, но не является абсолютно тем же самым, новостное производство. И уж совсем стоят особняком специальные виды телевизионных съемок. Современное производство телеобъективов почти справляется с невозможной задачей изготовления объективов на все случаи, и все же специализация объективов остается важной характеристикой.
 |
|
Рис. 2. Угол поля зрения объектива, соответствующего 2/3" ПЗС
|
Такой сложный оптический прибор, как телевизионный объектив, имеет много технических параметров, совокупность которых дает полное представление о нем. Среди них есть и такие, которые надо обязательно знать потенциальному потребителю. Основная группа параметров вариообъектива - это параметры фокусирования (zoom). Рабочий интервал фокусных расстояний определяется минимальным fmin и максимальным fmax фокусными расстояниями. Однако, в первую очередь, потенциальный потребитель интересуется кратностью M изменения фокусного расстояния или, в соответствии с профессиональным сленгом, зумирования (zooming). Коэффициент М определяется как отношение максимального и минимального фокусных расстояний: М=fmax/fmin. Эти параметры являются обязательными элементами маркировки любого объектива.
Следующий по значимости параметр объектива - поле зрения. Его принято обозначать как 2σ. Угловой размер поля зрения существенно зависит от текущего фокусного расстояния. Рисунок 2 поясняет эту зависимость. Числовые параметры на рисунке соответствуют размеру ПЗС 2/3". Надо заметить, что при больших значениях поля зрения детальность изображения, а, следовательно, информационная насыщенность выше, чем при более низких. Большие углы поля зрения характерны для съемок в ограниченных пространствах.
К параметрам объективов, о которых следует знать, принадлежит и относительное отверстие, обычно обозначаемое в технической литературе и проспектах как ö. Светосила объектива позволяет сравнивать освещенность объектов съемки с освещенностью их изображений. Она определяется с помощью замечательного математического правила, известного как "золотое сечение". Итак, некую величину, называемую относительным отверстием, надо перемножить с расстоянием до объекта съемки и приравнять полученное к квадрату соответствующего фокусного расстояния. Относительное отверстие в значительной степени зависит от действующего фокусного расстояния вариообъектива. Оно максимально при самом малом фокусном расстоянии и минимально при наибольшем. Поэтому в качестве потребительской характеристики обычно используют нормированные параметры. Еще одна важная характеристика - это минимальное расстояние съемок Smin.
Современные объективы автоматизированы полностью. Их обязательный элемент ныне - микропроцессор, который управляет всеми рабочими функциями в оптимальном режиме. Однако во всех объективах предусмотрена и мануальная функция, то есть ручное управление. В этом режиме оператору предоставляется возможность, ориентируясь на свой опыт, понимание света и игру светового и цветового рисунка, выбрать свой стиль освещения сцен и объектов съемки.
В марте 2002 г. ("625", 03/2002, с. 54…61) в статье "Телевизионная оптика 2001" мы представили новейшее на тот момент оптическое оборудование для телевидения. В частности, чемпионами по кратности на тот год стали объективы Fujinon XA87x13,2E с М=87 и Canon 86TELExs c М=86. Ныне же Fujinon, к примеру, предлагает телеобъектив XA101x8,9 с кратностью М=101. За этими шедеврами оптики скрыт точный расчет схем, возможный лишь с учетом прогресса вычислительной техники и, безусловно, технологии обработки стекла. Мне нетрудно доказать общую теорему, которая утверждает возможность создания оптических систем с любыми заранее заданными свойствами и функциями. Но изготовить рассчитанное - труд, и труд огромный. Кратность выше сотни - это рекорд даже для современных технологий.
Оптикам на протяжении веков снился один и тот же очень страшный сон. Имя ему - аберрации. Высочайшая точность обработки оптических приборов, расчета и коррекции почти сняла эту проблему. Серьезные изменения произошли и в материале, используемом для изготовления линз. Это уже не стеклообразный оксид кварца. В качестве материала для оптических стекол ныне применяют, например, фтористый кальций. По мнению, в частности, специалистов Canon, именно этот материал отличает самое удачное соотношение высокого значения коэффициента преломления и относительно малого коэффициента дисперсии.
Современные объективы классифицируются по размерам ПЗС-матриц, а также по форматам изображения 4:3 или 16:9. Но в этом случае формат чаще всего бывает переключаемым. Существуют приборы общего назначения, а также специализированные, например, приборы с высокими коэффициентами масштабирования или телеобъективы. Специальные объективы могут быть предназначены для работ в студии или на натуре. Для показа спортивных соревнований выпускаются особые объективы. И об этом следует помнить.
Современный телевизионный объектив - прибор сложный и автоматизированный. В сущности, вся рутинная работа по управлению объективом передана автоматике, хотя это не исключает и ручное управление, когда такой режим необходим оператору.
[дальше]
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
