ズームレンズ

ズームレンズは、固定焦点距離 (FFL) レンズ (プライム レンズ) とは対照的に、焦点距離(つまり画角) を変更できるカメラ レンズ要素のシステムです。

真のズームレンズ または光学ズームレンズは、焦点距離が変わっても焦点を維持する同焦点レンズの一種です。 ^[1]ほとんどの消費者向けズームレンズは完璧な焦点を維持しませんが、それでもほぼ同焦点です。光学ズーム機能があると宣伝されているほとんどのカメラ付き携帯電話は、実際には焦点距離が異なるが固定されたカメラを数台使用し、デジタルズームと組み合わせてハイブリッドシステムを構成しています。

可変焦点距離の利便性は複雑さを伴い、画質、重量、寸法、絞り、オートフォーカス性能、コストに多少の妥協を強いられる。例えば、すべてのズームレンズは、最大絞りで、特に焦点距離範囲の両端で、画像解像度が少なくともわずかに、あるいは相当に低下する。この影響は、大判または高解像度で表示した場合、画像の隅に顕著である。ズームレンズが提供する焦点距離の範囲が広ければ広いほど、これらの妥協はより誇張されたものになる。^[2]

ズームレンズは、最長焦点距離と最短焦点距離の比率で表現されることが多い。例えば、焦点距離が 100 mm から 400 mm のズームレンズは、4:1 または「4 倍」ズームと表現される。スーパーズームまたはハイパーズームという用語は、焦点距離係数が非常に大きい写真用ズームレンズを表すのに使用され、通常は 5 倍以上で、一眼レフカメラレンズでは最大 19 倍、アマチュア用デジタルカメラでは 22 倍に達する。この比率は、プロ用テレビカメラレンズでは 300 倍にもなる。^{[3] 2009 年現在、約 3 倍を超える写真用ズームレンズは、一般に、}プライムレンズと同等の画質を実現できない。一定の高速絞りズーム (通常はf /2.8またはf /2.0などのデジタル一眼レフカメラのズーム範囲は通常この範囲に制限されています。低解像度で動画を録画する場合、画質の低下は目立ちにくいため、プロ仕様のビデオレンズやテレビレンズは高ズーム比を実現しています。高ズーム比のテレビレンズは複雑で、数十の光学素子で構成され、重量が25kg（55ポンド）を超えることも珍しくありません。^[4]デジタル写真では、カメラ内プロセッサとポストプロダクションソフトウェアの両方で、光学的な欠陥を補正するアルゴリズムも採用されています。

写真用ズームレンズには、標準レンズよりも焦点距離が長い長焦点レンズや、標準よりも広い広角レンズ、広角から長焦点までをカバーするものなどがある。後者のグループのズームレンズは「標準」ズームと呼ばれることもあり^[要出典] 、多くの現代のカメラで単焦点レンズの選択肢として固定焦点レンズに取って代わった。これらのレンズのマークには通常、 「広角」と「望遠」を表すWとT と書かれている。望遠と呼ばれるのは、負の発散レンズによって提供される長い焦点距離が、レンズ全体の構成よりも長いためである (負の発散レンズは「望遠グループ」として機能している)。^[5]

一部のデジタル カメラでは、より長い焦点距離のズーム レンズ (狭い視野角) の効果をエミュレートするために、撮影した画像の切り取りと拡大が可能です。これは一般にデジタル ズームと呼ばれ、光学ズームよりも低い光学解像度の画像を生成します。コンピューターのデジタル画像処理ソフトウェアを使用してデジタル画像を切り取り、切り取った領域を拡大することで、まったく同じ効果を得ることができます。多くのデジタル カメラには両方が搭載されており、最初に光学ズームを使用し、次にデジタル ズームを使用することで、これらを組み合わせています。

ズーム レンズとスーパーズーム レンズは、静止画、ビデオ、映画 カメラ、プロジェクター、一部の双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡、望遠鏡照準器、およびその他の光学機器でよく使用されます。さらに、ズーム レンズのアフォーカル部分を可変倍率の望遠鏡として使用して、調整可能なビーム エクスパンダーを作成することもできます。これを使用すると、たとえば、レーザービームのサイズを変更して、ビームの放射照度を変えることができます。

初期のズームレンズは、光学望遠鏡で画像の倍率を連続的に変化させるために使用されており、これは1834 年の王立協会の議事録で初めて報告されました。望遠レンズの初期の特許には、レンズの全体的な焦点距離を変更するために調整できる可動レンズ要素も含まれていました。この種のレンズは現在、バリフォーカルレンズと呼ばれています。焦点距離が変更されると焦点面の位置も移動し、変更のたびにレンズの再焦点合わせが必要になるためです。

最初の真のズームレンズは、レンズアセンブリの有効焦点距離を変更しながらもほぼシャープな焦点を維持するもので、1902年にClile C. Allenによって特許を取得しました（米国特許696,788）。^{[7] ：155}映画におけるズームレンズの初期の使用は、1927年のクララ・ ボウ主演の映画「IT」のオープニングショットで見ることができます。最初の工業製品は、 1932年に発表された35mm映画カメラ用のベル＆ハウエル・クック「Varo」40〜120mmレンズでした。 ^{[7] ：156}最も印象的な初期のテレビズームレンズは、 1953年に英国の ランクテイラーホブソンが製造したVAROTAL IIIでした。

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  Kilfitt 製Voigtländer Zoomar レンズ、36 ～ 82 mmf /2.8
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  フジノンXF100-400mmズームレンズの断面図
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  35〜70のキヤノンカメラf /2.8~3.5ズームレンズ。ズームレンズの利点は柔軟性ですが、欠点は光学品質です。比較すると、単焦点レンズの方が画質が優れています。

1959年に発表されたキルフィット36-82mm/2.8ズーマーレンズは、 35mm静止画撮影用に通常生産された最初のバリフォーカルレンズでした。 ^[8]最初の近代的な映画用ズームレンズであるパンシノールは、SOM-ベルティオに勤務していたフランス人エンジニア、ロジェ・キュヴィリエによって1950年頃に設計されました。光学補正ズームシステムを備えていました。1956年、ピエール・アンジェニューは、 1958年に発売された16mm用17-68mmレンズで、ズーム中でも正確なフォーカスを可能にする機械補正システムを導入しました。同年、アンジェニュー4倍ズームの35mm版のプロトタイプである35-140mmが、映画「ジュリー・ラ・ルース」の制作で撮影監督ロジェ・フェルーによって初めて使用されました。アンジェニューは、16mmフィルムカメラ用の12-120mmと35mmフィルムカメラ用の25-250mmを含む10対1のズームレンズの設計により、1964年に映画アカデミーから技術賞を受賞しました。

ズームレンズは比較的大きいため、十分にコンパクトな寸法で設計され、一般消費者向けのコンパクトカメラ（ポイントアンドシュート）にようやく搭載されるようになったのは、つい最近の 1986 年になってからでした。それが Pentax Zoom 70 です。

それ以来、光学レンズ設計の進歩、特に光線追跡のためのコンピュータの使用により、ズームレンズの設計と構築が大幅に容易になり、現在ではプロやアマチュアの写真撮影で広く使用されています。^{[7] ：167}

ズーム レンズにはさまざまな設計が可能で、最も複雑なものは 30 個以上のレンズ要素と複数の可動部品を備えています。ただし、ほとんどの設計は基本的に同じです。一般的に、ズーム レンズは、固定されているか、レンズ本体に沿って軸方向にスライドする多数の個別レンズで構成されています。ズーム レンズの倍率が変化すると、焦点面の動きを補正して、焦点を合わせた画像を鮮明に保つ必要があります。この補正は、機械的な手段 (レンズの倍率が変化する間にレンズ アセンブリ全体を移動する) または光学的な手段 (レンズのズーム時に焦点面の位置ができるだけ変化しないように調整する) で行うことができます。

ズーム レンズの簡単な構成では、アセンブリが 2 つの部分に分かれています。1 つは標準的な固定焦点距離の写真レンズに似た集束レンズで、もう 1 つはアフォーカルズーム システムです。アフォーカル ズーム システムとは、光を集束するのではなく、通過する光線のサイズを変更し、レンズ システム全体の倍率を変える固定レンズ要素と可動レンズ要素の配置です。

この単純な光学補正ズーム レンズでは、無限焦点システムは、焦点距離が等しい 2 つの正 (収束) レンズ (レンズL ₁とL ₃ ) と、その間にある負 (発散) レンズ ( L ₂ ) で構成され、絶対焦点距離は正レンズの半分未満です。レンズL _{3 は}固定されていますが、レンズL ₁とL ₂は、特定の非線形関係で軸方向に移動できます。この移動は通常、レンズ ハウジング内のギアとカムの複雑な配置によって実行されますが、一部の最新のズーム レンズでは、この位置決めを実行するためにコンピューター制御のサーボを使用しています。

負レンズL _{2 が}レンズの前面から背面へ移動する間、レンズL _{1 は}放物線状に前方に移動し、その後後方に移動します。その際に、システム全体の角度倍率が変わり、ズーム レンズ全体の有効焦点距離が変わります。図に示す 3 つのポイントのそれぞれで、3 レンズ システムは無限焦点 (光を発散も収束もしない) であるため、レンズの焦点面の位置は変わりません。これらのポイント間では、システムは正確に無限焦点ではありませんが、焦点面の位置の変化は十分に小さく (適切に設計されたレンズでは約 ±0.01 mm)、画像の鮮明さに大きな変化は生じません。

ズームレンズの設計における重要な課題は、レンズの動作範囲全体にわたって光学収差（色収差や、特に像面湾曲など）を補正することです。これは、1つの焦点距離の収差を補正するだけでよい固定レンズよりも、ズームレンズではかなり困難です。この問題は、ズームレンズの普及が遅れた主な理由であり、初期の設計は現代の固定レンズに比べてかなり劣っており、狭い範囲のf値でしか使用できませんでした。現代の光学設計技術により、広範囲に変化する焦点距離と絞りにわたって良好な収差補正を備えたズームレンズの構築が可能になりました。

映画撮影やビデオ用途で使用されるレンズは、焦点距離が変更されても焦点を維持することが求められますが、静止画撮影や映写レンズとして使用されるズームレンズにはそのような要件はありません。焦点が変わらないレンズを、焦点が変わるレンズと同じ画質で作るのは難しいため、後者の用途では、焦点距離が変わると再度焦点を合わせる必要があるレンズ（厳密にはズームレンズではなく、バリフォーカルレンズ）がよく使用されます。最近の静止画カメラのほとんどはオートフォーカスなので、これは問題になりません。

ズーム比の大きいズーム レンズの設計者は、多くの場合、1 つ以上の収差を犠牲にして画像の鮮明度を高めます。たとえば、焦点距離範囲が広角から望遠に及ぶ 10 倍以上の焦点比を持つレンズでは、固定焦点距離レンズやそれより低い倍率のズーム レンズで許容されるものよりも大きな樽型歪みと糸巻き型歪みが許容されます。最新の設計手法によりこの問題は継続的に軽減されてきましたが、これらの高倍率レンズでは 1% を超える樽型歪みがよく見られます。もう 1 つの代償として、レンズを極端に望遠に設定すると、レンズが近くの物体に焦点を合わせている間に有効焦点距離が大幅に変化します。レンズが無限遠から中距離に焦点を合わせている間に、見かけの焦点距離が半分以下になることがあります。この効果は、程度は低いものの、レンズ全体ではなく内部のレンズ要素を動かして倍率を変える固定焦点距離レンズでも見られます。

いわゆる「ズーム」レンズの多くは、特に固定レンズカメラの場合、実際には可変焦点レンズであり、レンズ設計者は真の同焦点ズームよりも光学設計のトレードオフ（焦点距離範囲、最大絞り、サイズ、重量、コスト）に関してより柔軟に対応できます。また、オートフォーカスと、倍率を変更しながら焦点面の位置の変化を補正するためにカメラプロセッサがレンズを移動できるため（「ズーム」）、操作が本質的に真の同焦点ズームと同じになるため実用的です。^{[引用が必要]}

ウィキメディア・コモンズには、ズームレンズに関連するメディアがあります。

• ズーム（映画製作）
• パンチルトズームカメラ（PTZ）
• プロ仕様ビデオカメラ
• ズーマーレンズ
• スーパーズーム

焦点距離別

• 広角レンズ
• 標準レンズ
• 望遠レンズ

• キングスレイク、R. (1960)、「ズームレンズの開発」。SMPTEジャーナル 69、534
• Clark, AD (1973)、「ズームレンズ」、応用光学モノグラフ第7号。アダム・ヒルジャー（ロンドン）。
• マラカラ、ダニエルおよびマラカラ、ザカリアス (1994)、レンズ設計ハンドブック。マルセル・デッカー社ISBN 0-8247-9225-4 
• 「ズームレンズの内部は？」Adaptall-2.com。2005 年。