Non esiste una relazione semplice tra la lunghezza fisica dell'obiettivo e la sua lunghezza focale. Ad esempio, un grandangolo di retrofocus è generalmente più lungo della sua lunghezza focale, mentre un teleobiettivo è più corto della sua lunghezza focale. All'interno di uno zoom, hai diversi gruppi di obiettivi che si muovono in modo indipendente. La lunghezza focale dello zoom dipende dalle
posizioni relative dei gruppi e non è sempre semplicemente correlata alla lunghezza fisica dell'obiettivo. Detto questo, la spiegazione più semplice possibile per questo comportamento è che lo zoom potrebbe essere di un semplice design di retrofocus.
Zoom di retrofocus
Uno
zoom di retrofocus è composto solo da due gruppi. Il gruppo frontale, di potenza rifrattiva negativa e distanza focale (negativa) f 1 , crea un'immagine intermedia virtuale dell'oggetto da qualche parte davanti all'obiettivo. Questo gruppo funziona in modo molto simile agli occhiali che le persone miopi indossano: porta l'oggetto “più vicino agli occhi”. La lunghezza focale di questo gruppo è vicina a -35 mm.
Il gruppo posteriore, di potenza di rifrazione positiva, rende sul sensore un'immagine reale invertita di questa immagine virtuale intermedia. L'immagine intermedia è l '"oggetto" per questo gruppo. L'immagine finale è come una copia invertita dell'immagine virtuale, ridimensionata con un fattore di ingrandimento
m 2 vicino a -1, che è negativo perché l'immagine finale è invertita.
Supponendo che l'oggetto sia all'infinito, l'intero obiettivo ha una lunghezza focale
f = f 1 × m 2 . Questo è un prodotto di due numeri negativi e il risultato è positivo.
Nel disegno semplificato sopra, il primo gruppo è l'obiettivo L1, il secondo gruppo è l'obiettivo L2, lo zoom è focalizzato su infinito, l'immagine intermedia è a sinistra, a una distanza x da L2, e il sensore è su P L'ingrandimento di L2 è m 2 = - x '/ x .
Con questo design, è facile ingrandire l'obiettivo spostando il secondo gruppo. Quando questo gruppo è più vicino al sensore, fornisce un piccolo ingrandimento (diciamo intorno a -0,5) e quindi una lunghezza focale più corta per l'intero obiettivo. Quando viene spostato in avanti, più vicino all'immagine intermedia, si ha un ingrandimento maggiore (diciamo intorno a -1,6) e quindi una lunghezza focale più lunga per l'intero obiettivo.
Tuttavia, quando si modifica l'ingrandimento di questo gruppo, cambia la distanza tra l'oggetto (in questo caso l'immagine intermedia) e l'immagine finale. Questa distanza è al minimo quando il gruppo si trova tra il suo oggetto e la sua immagine, cosa che accade quando l'ingrandimento è -1. Puoi verificarlo facilmente usando una lente d'ingrandimento per focalizzare l'immagine di una lampadina su un pezzo di carta: la distanza tra la lampadina e l'immagine focalizzata è minima quando l'immagine ha le stesse dimensioni dell'oggetto. Nel caso dell'obiettivo zoom, poiché l'immagine finale deve cadere in una posizione fissa (sul sensore), l'immagine intermedia deve essere spostata spostando il gruppo anteriore. Questo spiega il comportamento osservato del gruppo frontale: ingrandendo l'obiettivo da 18 mm a ~ 35 mm, l'ingrandimento m 2va da ~ -0,5 a -1 e il gruppo anteriore si avvicina al sensore. Mentre si esegue lo zoom da lì a 55 mm,
m 2 passa da -1 a ~ -1,6 e il gruppo anteriore si allontana dal sensore.
Esempio 1
Questo è solo un modello teorico (sovra) semplificato per uno zoom in cui ogni gruppo è solo una lente sottile. Le lunghezze focali dei gruppi sono -35 mm (gruppo anteriore) e +35 mm (gruppo posteriore). Supponendo un oggetto all'infinito, ho calcolato le configurazioni dello zoom per tre lunghezze focali. La tabella seguente mostra le posizioni degli elementi dell'obiettivo (in mm dal sensore) in funzione della lunghezza focale su cui è impostato lo zoom:
┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│ 18 mm │ 121.1 │ 53 │
│ 35 mm │ 105 │ 70 │
│ 55 mm │ 112.3 │ 90 │
└───────────┴─────────┴─────────┘
Ed ecco un disegno, in scala:
Il sensore è a destra. L'immagine intermedia (non disegnata) è di 35 mm a sinistra dell'elemento anteriore. La cosa interessante è che i movimenti dei gruppi (sia anteriori che posteriori) corrispondono a quello che ho visto sulla maggior parte degli zoom di medio raggio. Uno zoom reale può avere più gruppi (IS è stato menzionato), ma solo due sono realmente necessari per l'azione di zoom.
Esempio 2
Per un esempio più realistico, vedi questo
brevetto per alcuni zoom Nikon 1 . Non è il miglior esempio perché questi obiettivi sono destinati a una fotocamera mirrorless. Tuttavia, una delle forme di realizzazione è uno zoom di gamma media di 10-30 mm (equivalente a 27-81), abbastanza vicino nel raggio di 18-55 per 1,6 ×.
Mi piace questo esempio per via delle figure. Si prega di dare un'occhiata alla figura a pagina 1, e più specificamente alle frecce in basso, sotto le etichette "G1" e "G2". Queste frecce mostrano il modo in cui i gruppi si muovono quando l'obiettivo viene ingrandito dall'ampio (W) al tele (T). Puoi vedere che il gruppo anteriore si sposta indietro e poi in avanti, mentre il secondo gruppo si sposta monotono in avanti. Questo è quello che ho visto su molti zoom di gamma ampia e media, anche se non su tutti (non sul Nikkor 18-70 per esempio). Potresti notare che il secondo gruppo ha alcuni sottogruppi, incluso un gruppo per la messa a fuoco (Gf) e un gruppo per la stabilizzazione dell'immagine (Gs). Questi sottogruppi sono tuttavia irrilevanti se si considera solo l'azione di zoom.
Comunque, la cosa interessante qui è che, sebbene alcuni degli esempi forniti abbiano tre gruppi di lenti, la maggior parte (inclusa la "forma di realizzazione preferita") ne ha solo due. Citando il brevetto (paragrafo 077 a pagina 67):
Un sistema ottico secondo la presente forma di realizzazione include, in ordine da un lato oggetto, un primo gruppo di lenti con potere di rifrazione negativo e un secondo gruppo di lenti con potere di rifrazione positivo.
Questa è esattamente la descrizione di un obiettivo di retrofocus.
Esempio 3
Ecco
un altro brevetto di Nikon
che può essere più rilevante poiché descrive principalmente il tipo 18-55 di zoom APS-C.
Gli esempi 1 e 2 di questo brevetto sono per un design di retrofocus così semplice, con un gruppo anteriore di lunghezza focale -31,51 mm e un gruppo posteriore di lunghezza focale +37,95 mm. Dalle tabelle dei dati vediamo che, ingrandendo l'obiettivo da 18 a 55 mm, il gruppo anteriore si sposta prima indietro (verso il sensore) e poi in avanti (lontano dal sensore) mentre il gruppo posteriore si sposta monotonamente in avanti.
Questo brevetto mostra anche che il semplice design a due gruppi che sto descrivendo qui non è l'unica opzione possibile. Considera l'esempio 5 di questo brevetto. Questo obiettivo ha quattro gruppi che si muovono tutti in modi diversi man mano che si ingrandisce l'obiettivo. Quando si esegue lo zoom da 18 a 55 mm, il gruppo anteriore si sposta indietro, quindi in avanti, e il gruppo posteriore si sposta monotonamente in avanti. Quindi, visto dall'esterno, sembra il semplice design a due gruppi dell'esempio 1, sebbene internamente sia piuttosto più complesso.
D'altra parte, questo particolare design non è in realtà così lontano
dal semplice design di retrofocus. Se diciamo che i gruppi 2, 3 e 4 costituiscono una sorta di "supergruppo", allora l'obiettivo può essere descritto come un gruppo (G1) di potenza di rifrazione negativa seguito dal supergruppo (G234) di potenza di rifrazione positiva. Ancora una specie di retrofocus. Questa descrizione non è del tutto irragionevole poiché i gruppi 2, 3 e 4 si muovono più o meno allo stesso modo: si muovono tutti monotonamente in avanti quando l'obiettivo viene ingrandito dall'ampiezza al teleobiettivo e il loro movimento medio è maggiore dei movimenti relativi tra loro. Dalla tabella dei dati dell'obiettivo ho calcolato la lunghezza focale di questo supergruppo e ho scoperto che non cambia molto: solo da 38,6 mm all'estremità larga dello zoom a 34,8 mm all'estremità tele.
Anche se ho studiato solo alcuni brevetti, la mia conclusione è che una sorta di progetto di retrofocus (ma non necessariamente con solo due gruppi) è probabilmente su uno zoom se sono soddisfatte le seguenti tre condizioni:
- l'obiettivo è più lungo della sua lunghezza focale con tutte le impostazioni
- quando viene ingrandito da grandangolo a tele, l'elemento anteriore si sposta prima indietro (più vicino al sensore), quindi in avanti
- quando ingrandito da largo a tele, l'elemento posteriore si sposta sempre in avanti.
È probabile che la prima condizione sia sempre soddisfatta dagli zoom SLR con una lunghezza focale massima non superiore a 55 mm.
PS: questa risposta è stata pesantemente modificata per unire meglio diverse modifiche. Nel processo ho incorporato un punto importante sollevato da Stan Rogers, vale a dire che il design semplice non è l'unico design possibile.