«Фотографическая оптика», д. Волосов, 1978. Более развернутое, очень хорошее введение к теме, отличный ответ на билет (после статьи еще дополнительная информация):

Около 35 лет назад в СССР впервые были разработаны теория и метод расчета оптических анастигматических систем с переменными оптическими характеристиками, в частности объективов с переменным фокусным расстоянием. В те годы подобные системы лишь начали появляться. В отличие от ранее существовавших апланатических панкратических систем зрительных труб, у которых относительные отверстия и поля зрения были малыми, новые системы должны были применяться в качестве фотографических, в частности киносъемочных объективов, а следовательно, должны были быть анастигматическими с достаточно большими полями зрения и высокой светосилой.

Конечно, первые варианты рассчитанных объективов были несовершенны как по своим оптическим качествам, так и по эксплуатационным параметрам. Ограниченная область их возможного применения (киносъемка), в которой к тому же существовал вполне конкурентноспособный способ съемки "наездом", ставила под сомнение целесообразность концентрации больших усилий для решения этой сложной оптической задачи. Начавшаяся война отодвинула эти работы на второй план.

Бурное развитие телевидения и телевещания в послевоенные годы стимулировало возрождение интереса к объективам с переменным фокусным расстоянием. В этой области, где способ "наездов" практически неприменим, создание эффекта непрерывного изменения масштаба изображения с помощью панкратической оптики особенно уместно как в условиях студийных, так тем более внестудийных телевизионных передач.

Появившийся вскоре за рубежом массовый интерес к узкопленочной 8-мм любительской кинематографии еще в большей мере стимулировал развитие объективов с переменным фокусным расстоянием, так как для малоформатной киносъемки, когда необходима короткофокусная оптика, подобные объективы имеют сравнительно малые габариты и массы, а следовательно, не вызывают затруднений при их повседневной эксплуатации.

Развитие этих областей техники в послевоенные годы у нас несколько задержалось; создалась досадная ситуация: там, где впервые начались теоретические и методические работы в этой области, не имелось соответствующих возможностей для их практической реализации.

В настоящее время объективы с переменным фокусным расстоянием прочно вошли в оптическую технику и находят все большее применение в профессиональной и любительской кинематографии, фототехнике, телевидении и в ряде отраслей специальной техники. Почти во всех зарубежных странах с развитой оптико-механической промышленностью ведутся разработки объективов этого типа.

Оригинальные оптические схемы и разработки объективов переменных фокусных расстояний различных оптических характеристик и разного назначения начали особенно часто появляться начиная со второй половины 50-х годов, когда внедрение ЭВМ позволило выполнять все трудоемкие численные исследования и расчеты.

• По своим оптико-коррекционным свойствам объективы с переменным фокусным расстоянием, которые для краткости назовем панкратическими объективами-анастигматами, можно условно подразделить на две группы:

1) вариообъективы, оптическая система которых корригирована в отношении всех аберраций как единое целое;

2) система насадка - объектив, или трансфокаторы, в которых собственно объектив и расположенная впереди него афокальная насадка переменного увеличения корригируются независимо и самостоятельно в отношении почти всех аберраций, за исключением остаточной положительной кривизны поля собственно объектива, которая компенсируется отрицательной кривизной поля, вносимой афокальной насадкой.

* С точки зрения эксплуатационной, обе группы объективов тождественны, точнее, почти тождественны: лишь в отдельных случаях, как увидим ниже, афокальная насадка может применяться со сменным объективом, расположенным позади нее. Для этого необходимо совмещение выходного зрачка насадки со входным зрачком объектива.

• По оптико-кинематической схеме перемещения компонентов системы панкратические объективы-анастигматы подразделяются также на две группы:

1) объективы с оптической компенсацией сдвига плоскости изображения, в которых компоненты оптической системы перемещаются по простым (линейным) законам; положение плоскости изображения при этом остается с должной точностью фиксированным;

2) объективы с механической компенсацией сдвига плоскости изображения, в которых хотя бы один, а иногда и более из компонентов оптической системы перемещаются по сложному (нелинейному) закону, необходимому для сохранения положения плоскости изображения. Сложная кинематика перемещения компонента обычно осуществляется кулачковым механизмом. 

* Группировка панкратических объективов на вариообъективы и трансфокаторы весьма условна и, как указывалось выше, она проведена исходя лишь из принципа оптической коррекции; в параксиальной области схему трансфокатора можно всегда преобразовать в вариообъектив и обратно. 

** Иногда в целях универсализации возможности применения объектива, позади афокальной насадки переменного увеличения устанавливают систему из двух переключающихся сменных объективов различных фокусных расстояний - короткофокусного и длиннофокусного.

Тем самым получают возможность проводить съемки с плавно изменяющимся масштабом изображения как близких, так и удаленных объектов (например, телевизионная съемка студийная и внестудийная), как это осуществлено в нашем объективе "Алькор-6".

Часто за объективом переменного фокусного расстояния устанавливают сменные дополнительные компоненты - удлинители, работающие с линейными полутора-трехкратными увеличениями, что также расширяет оптические характеристики набора объективов.

*** За последние годы впереди малогабаритных объективов (например, 8-мм киносъемочных камер) иногда начали устанавливать афокальные насадки переменного увеличения, плавно изменяющегося в 2,5-3 раза, а также афокальные насадки постоянного увеличения, устанавливаемые впереди малогабаритных объективов переменного фокусного расстояния (например, в тех же 8-мм кинокамерах) и соответственно сдвигающие - укорачивающие или удлиняющие - абсолютные значения изменяющихся фокусных расстояний, сохраняя при этом кратность этих изменений.

В заключение укажем, что оптические характеристики панкратических объектов :

кратность,

пределы абсолютных значений изменения фокусных расстояний,

относительные отверстия,

углы поля зрения

- целиком зависят от числа компонентов, входящих в систему, и ее габаритов.

Например, если светосильные малогабаритные системы с двух-трехкратным изменением фокусных расстояний содержат 10 - 13 линз, то объективы с широким интервалом изменения фокусных расстояний (восьми-десятикратным) содержат 16 - 18 и более линз в зависимости от требований к качеству коррекции аберраций.

Для справки: (wiki)

Анаморфот — оптическая система, создающая изображение объекта, масштаб которого различен по двум взаимно перпендикулярным направлениям (обычно вертикальном и горизонтальном).

Выпускаются:

• афокальные анаморфотные насадки на обычный объектив. Их применение связано с трудностями расчёта аберраций и дальнейшей юстировки оптической системы. Применяются как линзовые насадки, содержащие цилиндрические линзы, так и зеркальные, содержащие зеркала с цилиндрическими поверхностями;

• анаморфотные блоки — анаморфотные объективы с цилиндрическими компонентами, выполненные как единое целое. Расчёт и юстировка таких объективов существенно проще;

Анаморфотная насадка — афокальная оптическая система, используемая совместно с обычным фото- или кинообъективом, устанавливается обычно перед его передней линзой.

Афока́льная опти́ческая систе́ма, телескопи́ческая опти́ческая систе́ма — оптическая система, преобразующая параллельный световой пучок в параллельный же. Предназначена главным образом для наблюдения удалённых объектов.

• Состоит из объектива, обращённого к наблюдаемому объекту, и окуляра, обращённого к глазу наблюдателя или объективу съёмочного аппарата.

• Объектив и окуляр взаимно расположены так, что передний фокус окуляра совмещён c задним фокусом объектива.

Принцип действия и характеристики:

Совпадение соответствующих фокусов означает, что пришедшие от бесконечно удалённого объекта параллельные лучи света входят в объектив под одним, а выходят из окуляра под другим углом к оси оптической системы.

(панкратический Рубин)

Оптическая схема афокальных насадок: а – при угловом увеличении Г>1 (угол α'>α); б – при угловом увеличении Г<1 (α'<α)

Ход лучей в афокальной насадке.

Объектив с переменным фокусным расстоянием (ОПФ)

– объектив фото- или киносъемочного аппарата, у которого фокусное расстояние можно произвольно изменять в пределах, обусловленных его конструкцией.

(* Определение ниже – из энциклопедии «Фотокинотехника» Иофиса, можно пропустить всю эту инфу про дискретность и панкратичность, а просто сразу сказать, что:

По устройству все объективы с переменным фокусным расстоянием могут быть разделены на 2 группы – вариообъективы и трансфокаторы.)

Фокусное расстояние изменяется либо ступенчато – объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, либо плавно – т.н. панкратический объектив.

В объективах первого типа фокусное расстояние изменяется в результате дискретного перемещения отдельных компонентов оптической системы или за счёт использования различных сменных компонентов. Например, в любительских 8-мм кинокамерах применяют сменные афокальные насадки, устанавливаемые перед объективом. Так, для объектива «Юпитера» в кинокамере «Кварц» используются афокальные насадки, позволяющие изменять фокусное расстояние оптической системы в целом в 0,5 или в 2 раза.

В панкратических объективах изменение фокусного расстояния достигается плавным перемещением отдельных компонентов оптической системы. В зависимости от способа (закона) перемещения компонентов различают ОПФ с оптической и с механической компенсацией смещения плоскости изображения.

В объективах с оптической компенсацией компоненты оптической системы перемещаются по линейному закону, при этом плоскость изображения смещается в таких пределах, при которых изменение качества изображения почти незаметно.

В объективах с механической компенсацией один или несколько компонентов перемещаются по сложному, нелинейному закону, при этом плоскость изображения остаётся практически неподвижной.

С точки зрения исправления остаточных аберраций панкратические объективы подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы.

Вариообъектив.

- объектив с переменным фокусным расстоянием, содержащий несколько перемещающихся относительно друг друга оптических компонентов, образующих т.н. вариатор,

и неподвижный задний компонент – корректор остаточных аберраций вариатора.

• Оптическая система вариатора исправлена в отношении остаточных аберраций как единое целое.

• Перемещением компонентов вариатора обеспечивается непрерывное изменение фокусного расстояния, при этом плоскость изображения остается неподвижной и относительное отверстие сохраняется постоянным.

• Изменение фокусного расстояния достигается раздельным перемещением каждого компонента в одну сторону.

• Переменное фокусное расстояние обеспечивается за счет наличия нескольких групп линз, которые могут передвигаться друг относительно друга. Хороший вариообъектив не перекрывает весь диапазон от широкоугольного объектива с очень маленьким фокусным расстоянием до длиннофокусного с очень большим фокусным расстоянием. Обычно фокусное расстояние вариообъектива изменяется в некоторых средних, хотя и достаточно широких пределах. Например, замечательно, если в эквиваленте 35-миллиметровой камеры фокусное расстояние объектива варьируется в диапазоне от 35 мм до 100 мм.

• Поскольку элементы вариообъектива должны двигаться на большие расстояния, он обычно не обеспечивает такую проработку деталей, как соответствующие специальные объективы с постоянным фокусным расстоянием. По этой же причине на настройку вариообъектива обычно требуется больше времени. После изменения состояния такого объектива всегда следует проверять его на резкость будущего кадра. Удобно, когда фотоаппарат с вариообъективом имеет систему автофокусировки, тогда объектив автоматически перенастроится после или при изменении фокусного расстояния.

• По сравнению с трансфокатором позволяет достичь лучшего исправления многих аберраций при меньшем числе линз и компонентов, а также добиться большей геометрической светосилы во всём диапазоне фокусных расстояний. 

Трансфокатор.

- а) представляет собой оптическую систему, состоящую из афокальной панкратической насадки с переменным угловым увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием.

В такой системе трансфокатором могут называть только афокальную насадку.

- б) объектив с переменным фокусным расстоянием, состоящий из собственно объектива и расположенной перед ним афокальной насадки переменного увеличения.

• Механическим перемещением оптических компонентов афокальной насадки изменяется угловое увеличение, а тем самым достигается и плавное изменение фокусного расстояния системы в некотором диапазоне.

• При этом плоскость изображения остается неподвижной и относительное отверстие сохраняется постоянным во всем диапазоне изменения фокусного расстояния. Фокусное расстояние системы пропорционально изменению увеличения афокальной насадки.

• Устранение остаточных аберраций производится независимо и самостоятельно для каждой из частей трансфокатора, что позволяет использовать одну и ту же афокальную насадку с различными объективами (?).

• Принцип действия системы. Телескопическая насадка А с переменным угловым увеличением устанавливается таким образом, что её выходной зрачок совпадает с входным зрачком объектива Б, фокусное расстояние которого равно постоянной величине. Такая комбинация объектив + насадка в целом образует объектив с переменным фокусным расстоянием

• Исторически такие объективы имели небольшой коэффициент увеличения — от двух до трёх, так как не было мощных вычислительных средств для расчёта таких многолинзовых конструкций.

• Первые механические версии объективов с трансфокатором разрабатывались так, чтобы при изменении фокусного расстояния не сбивалась установка на резкость. В настоящее время, в связи с массовым переходом на автофокусные объективы, это условие было снято для удешевления конструкции, хотя профессиональные репортёрские объективы по прежнему не меняют дистанцию фокусировки при смене фокусного расстояния.

Кратность объективов с переменным фокусным расстоянием.

Многие производители указывают на своих вариообъективах так называемую кратность увеличения фокусного расстояния— отношение максимального фокусного расстояния к минимальному. Например, фокусное расстояние трехкратного вариообъектива (обозначается как Зх) может изменяться от 25 мм до 75 мм. Но если объектив с переменным фокусным расстоянием имеет маркировку Зх/2х, что это означает?

Смысл данных цифр заключается в следующем: трехкратное увеличение достигается с помощью оптической системы фотоаппарата, а еще двухкратное — светочувствительной матрицей, с помощью вычислений.

Дополнительное увеличение получается за счет интерполяции, которую выполняет камера, и, следовательно, фотоаппарат создает изображение на основе не только орининальных, но и расчетных данных. Не стоит пользоваться данной возможностью, за исключением тех случаев, когда это действительно необходимо, так как при подобном увеличении изображения усиливаются искажения и множатся ошибки в цветопередаче.

Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному называют кратностью изменения фокусного расстояния ОПФ.

У совр. фотографич. ОПФ кратность не превышает 2—3, а у киносъёмочных — достигает 10— 20. Относительное отверстие у ОПФ остаётся постоянным во всём диапазоне изменения фокусного расстояния; угловое поле 2ω изменяется в соответствии с изменением фокусного расстояния f’ (чем больше f’ , тем меньше 2ω, и наоборот); разрешающая сила обычно выше при малых фокусных расстояниях.

Для расширения возможностей ОПФ, построенных по схеме трансфокатора, за афокальной насадкой устанавливают два сменных объектива — короткофокусный и длиннофокусный. Кратность изменения фокусного расстояния всей оптич. системы при этом сохраняется. Фокусное расстояние ОПФ можно несколько увеличить посредством т. н. удлинителя — отрицательного двух линзового ахромата с увеличением 1,5—3х. Однако применение удлинителя уменьшает угловое поле и относительное отверстие ОПФ.

______________________________________________________________________________

* Угловое увеличение - отношение тангенса угла наклона луча, вышедшего из оптической системы в пространство изображений, к тангенсу угла наклона сопряжённого ему луча в пространстве предметов.