Una lente zoom es un sistema de elementos de lente de cámara para el cual se puede variar la distancia focal (y por lo tanto el ángulo de visión ), a diferencia de una lente de distancia focal fija (FFL) ( lente principal ).
Un objetivo zoom verdadero o un objetivo zoom óptico es un tipo de objetivo parfocal , que mantiene el enfoque cuando cambia su longitud focal. [1] La mayoría de los objetivos zoom de consumo no mantienen un enfoque perfecto, pero siguen siendo casi parfocales. La mayoría de los teléfonos con cámara que se anuncian como dotados de zoom óptico en realidad utilizan unas cuantas cámaras de longitud focal fija pero diferente, combinadas con zoom digital para formar un sistema híbrido.
La conveniencia de una distancia focal variable tiene el costo de la complejidad y de algunos compromisos en la calidad de la imagen, el peso, las dimensiones, la apertura, el rendimiento del enfoque automático y el costo. Por ejemplo, todos los lentes con zoom sufren al menos una pérdida leve, si no considerable, de resolución de imagen en su apertura máxima , especialmente en los extremos de su rango de longitud focal. Este efecto es evidente en las esquinas de la imagen, cuando se muestra en un formato grande o en alta resolución. Cuanto mayor sea el rango de longitud focal que ofrece un lente con zoom, más exagerados deben ser estos compromisos. [2]
Los objetivos zoom suelen describirse por la relación entre sus longitudes focales más largas y más cortas. Por ejemplo, un objetivo zoom con longitudes focales que van desde 100 mm a 400 mm puede describirse como un zoom 4:1 o "4×". El término superzoom o hiperzoom se utiliza para describir los objetivos zoom fotográficos con factores de longitud focal muy grandes, normalmente más de 5× y que van hasta 19× en objetivos de cámaras SLR y 22× en cámaras digitales amateur . Esta relación puede ser tan alta como 300× en objetivos de cámaras de televisión profesionales. [3] A partir de 2009, los objetivos zoom fotográficos más allá de aproximadamente 3× generalmente no pueden producir una calidad de imagen a la par de los objetivos fijos . Los zooms de apertura rápida constante (normalmentey2.8 oy2.0) suelen estar restringidas a este rango de zoom. La degradación de la calidad es menos perceptible cuando se graban imágenes en movimiento a baja resolución, por lo que los lentes de video y TV profesionales pueden presentar relaciones de zoom altas. Los lentes de TV con una relación de zoom alta son complejos, con docenas de elementos ópticos, que a menudo pesan más de 25 kg (55 lb). [4] La fotografía digital también puede acomodar algoritmos que compensan fallas ópticas, tanto dentro de los procesadores de la cámara como en el software de posproducción.
Algunas lentes de zoom fotográficas son lentes de enfoque largo , con distancias focales más largas que una lente normal , algunas son lentes gran angular (más anchas que las normales ) y otras cubren un rango desde gran angular hasta enfoque largo. Las lentes en el último grupo de lentes de zoom, a veces denominadas zooms "normales", [ cita requerida ] han desplazado a la lente de distancia focal fija como la selección popular de una sola lente en muchas cámaras contemporáneas. Las marcas en estas lentes generalmente dicen W y T para "Gran angular" y "Telefoto". Telefoto se designa porque la distancia focal más larga proporcionada por la lente divergente negativa es más larga que el conjunto de lentes en general (la lente divergente negativa actúa como el "grupo telefoto"). [5]
Algunas cámaras digitales permiten recortar y ampliar una imagen capturada para emular el efecto de un objetivo con zoom de mayor distancia focal (ángulo de visión más estrecho). Esto se conoce comúnmente como zoom digital y produce una imagen de menor resolución óptica que el zoom óptico. Se puede obtener exactamente el mismo efecto utilizando un software de procesamiento de imágenes digitales en una computadora para recortar la imagen digital y ampliar el área recortada. Muchas cámaras digitales tienen ambas funciones, combinándolas utilizando primero el zoom óptico y luego el digital.
Los lentes zoom y superzoom se utilizan comúnmente en cámaras fotográficas , de video y cinematográficas , proyectores , algunos binoculares , microscopios , telescopios , miras telescópicas y otros instrumentos ópticos . Además, la parte afocal de un lente zoom se puede utilizar como un telescopio de aumento variable para hacer un expansor de haz ajustable . Esto se puede utilizar, por ejemplo, para cambiar el tamaño de un haz láser de modo que se pueda variar la irradiancia del haz.
Las primeras formas de lentes con zoom se utilizaron en telescopios ópticos para proporcionar una variación continua de la ampliación de la imagen, y esto se informó por primera vez en las actas de la Royal Society en 1834. Las primeras patentes para lentes telefoto también incluían elementos de lente móviles que podían ajustarse para cambiar la longitud focal general de la lente. Las lentes de este tipo ahora se denominan lentes varifocales , ya que cuando se cambia la longitud focal, la posición del plano focal también se mueve, lo que requiere volver a enfocar la lente después de cada cambio.
El primer objetivo zoom verdadero , que conservaba un enfoque casi nítido mientras se cambiaba la longitud focal efectiva del conjunto de objetivos, fue patentado en 1902 por Clile C. Allen ( patente estadounidense 696.788 ). [7] : 155 Un uso temprano del objetivo zoom en el cine se puede ver en la toma de apertura de la película "It", protagonizada por Clara Bow, de 1927. La primera producción industrial fue el objetivo Bell and Howell Cooke "Varo" de 40-120 mm para cámaras de cine de 35 mm introducido en 1932. [7] : 156 El objetivo zoom para televisión temprano más impresionante fue el VAROTAL III, de Rank Taylor Hobson del Reino Unido, construido en 1953.
El objetivo Kilfitt 36–82 mm/2.8 Zoomar introducido en 1959 fue el primer objetivo varifocal en producción regular para fotografía fija de 35 mm . [8] El primer objetivo zoom de película moderno, el Pan-Cinor, fue diseñado alrededor de 1950 por Roger Cuvillier , un ingeniero francés que trabajaba para SOM-Berthiot. Tenía un sistema de zoom de compensación óptica. En 1956, Pierre Angénieux introdujo el sistema de compensación mecánica, que permite un enfoque preciso mientras se hace zoom, en su objetivo 17-68 mm para 16 mm lanzado en 1958. El mismo año, un prototipo de la versión de 35 mm del zoom 4x de Angénieux , el 35-140 mm, fue utilizado por primera vez por el director de fotografía Roger Fellous para la producción de Julie La Rousse. Angénieux recibió un premio técnico en 1964 de la Academia de Cine por el diseño de los lentes con zoom de 10 a 1, incluidos el 12-120 mm para cámaras de película de 16 mm y el 25-250 mm para cámaras de película de 35 mm.
Debido a su volumen relativo, no fue hasta 1986 que se diseñó un objetivo zoom con dimensiones suficientemente compactas y finalmente encontró su lugar en una cámara compacta (apuntar y disparar) para el consumidor, siendo esta la Pentax Zoom 70.
Desde entonces, los avances en el diseño de lentes ópticas , particularmente el uso de computadoras para el trazado de rayos ópticos , han hecho que el diseño y la construcción de lentes con zoom sean mucho más fáciles, y ahora se usan ampliamente en fotografía profesional y amateur. [7] : 167
Existen muchos diseños posibles de lentes con zoom, los más complejos tienen más de treinta elementos de lente individuales y múltiples partes móviles. Sin embargo, la mayoría siguen el mismo diseño básico. Generalmente constan de una serie de lentes individuales que pueden ser fijas o deslizarse axialmente a lo largo del cuerpo de la lente. Mientras cambia el aumento de una lente con zoom, es necesario compensar cualquier movimiento del plano focal para mantener nítida la imagen enfocada. Esta compensación puede realizarse por medios mecánicos (moviendo el conjunto completo de lentes mientras cambia el aumento de la lente) u ópticos (disponiendo la posición del plano focal para que varíe lo menos posible mientras se hace zoom con la lente).
Un esquema simple para una lente zoom divide el conjunto en dos partes: una lente de enfoque similar a una lente fotográfica estándar de distancia focal fija, precedida por un sistema de zoom afocal , una disposición de elementos de lente fijos y móviles que no enfoca la luz, pero altera el tamaño de un haz de luz que viaja a través de él y, por lo tanto, la ampliación general del sistema de lentes.
En este sencillo objetivo zoom con compensación óptica, el sistema afocal consta de dos lentes positivas (convergentes) de igual longitud focal (lentes L 1 y L 3 ) con una lente negativa (divergente) ( L 2 ) entre ellas, con una longitud focal absoluta inferior a la mitad de la de las lentes positivas. La lente L 3 es fija, pero las lentes L 1 y L 2 se pueden mover axialmente en una relación no lineal particular. Este movimiento se realiza normalmente mediante una compleja disposición de engranajes y levas en la carcasa del objetivo, aunque algunos objetivos zoom modernos utilizan servos controlados por ordenador para realizar este posicionamiento.
Mientras que la lente negativa L 2 se mueve desde la parte delantera a la trasera de la lente, la lente L 1 se mueve hacia delante y luego hacia atrás en un arco parabólico. Al hacerlo, el aumento angular general del sistema varía, modificando la longitud focal efectiva de la lente zoom completa. En cada uno de los tres puntos mostrados, el sistema de tres lentes es afocal (no diverge ni hace converger la luz) y, por lo tanto, no altera la posición del plano focal de la lente. Entre estos puntos, el sistema no es exactamente afocal, pero la variación en la posición del plano focal puede ser lo suficientemente pequeña (aproximadamente ±0,01 mm en una lente bien diseñada) como para no producir un cambio significativo en la nitidez de la imagen.
Un aspecto importante en el diseño de lentes con zoom es la corrección de las aberraciones ópticas (como la aberración cromática y, en particular, la curvatura del campo ) en todo el rango operativo de la lente; esto es considerablemente más difícil en una lente con zoom que en una lente fija, que solo necesita corregir las aberraciones para una distancia focal. Este problema fue una de las principales razones de la lenta adopción de lentes con zoom, ya que los primeros diseños eran considerablemente inferiores a las lentes fijas contemporáneas y solo se podían usar con un rango estrecho de números f . Las técnicas de diseño óptico modernas han permitido la construcción de lentes con zoom con buena corrección de la aberración en distancias focales y aperturas muy variables.
Mientras que los lentes utilizados en aplicaciones cinematográficas y de video deben mantener el enfoque mientras se cambia la distancia focal, no existe tal requisito para la fotografía fija y para los lentes con zoom utilizados como lentes de proyección. Dado que es más difícil construir un lente que no cambie el enfoque con la misma calidad de imagen que uno que sí lo hace, estas últimas aplicaciones a menudo utilizan lentes que requieren reenfoque una vez que la distancia focal ha cambiado (y, por lo tanto, estrictamente hablando, son lentes varifocales , no lentes con zoom). Como la mayoría de las cámaras fijas modernas tienen enfoque automático , esto no es un problema.
Los diseñadores de lentes con zoom con grandes relaciones de zoom a menudo sacrifican una o más aberraciones para lograr una mayor nitidez de la imagen. Por ejemplo, se tolera un mayor grado de distorsión de barril y de cojín en lentes que abarcan el rango de longitud focal desde gran angular hasta telefoto con una relación focal de 10× o más de lo que sería aceptable en una lente de longitud focal fija o una lente con zoom con una relación menor. Aunque los métodos de diseño modernos han estado reduciendo continuamente este problema, la distorsión de barril de más del uno por ciento es común en estas lentes de gran relación. Otro precio que se paga es que en la configuración de telefoto extrema de la lente, la longitud focal efectiva cambia significativamente mientras la lente está enfocada en objetos más cercanos. La longitud focal aparente puede reducirse a más de la mitad mientras la lente está enfocada desde el infinito hasta un primer plano medio. En menor grado, este efecto también se observa en lentes de longitud focal fija que mueven los elementos internos de la lente, en lugar de toda la lente, para producir cambios en el aumento.
Muchos de los llamados lentes "zoom", particularmente en el caso de cámaras de lente fija, son en realidad lentes varifocales , lo que brinda a los diseñadores de lentes más flexibilidad en las compensaciones de diseño óptico (rango de longitud focal, apertura máxima, tamaño, peso, costo) que el zoom parfocal verdadero, y lo cual es práctico debido al enfoque automático y porque el procesador de la cámara puede mover el lente para compensar el cambio en la posición del plano focal mientras cambia el aumento ("zoom"), lo que hace que la operación sea esencialmente la misma que un zoom parfocal verdadero. [ cita requerida ]
