Perché alcuni obiettivi aumentano l'angolo di visione a fuoco ravvicinato?

Recentemente ho raccolto un obiettivo superzoom, il Nikon 28-300mm. Anche se l'ho preso principalmente per la sua versatilità, la mia intuizione era che un obiettivo in grado di fare una lunghezza focale di 300 mm a 50 cm, come effettivamente può, avrebbe offerto anche un ragionevole ingrandimento per le riprese macro.

Sono rimasto scioccato nello scoprire che, entro una distanza di circa 5 metri, il mio obiettivo macro 105mm con teleconvertitore 2x offre un campo visivo considerevolmente più stretto a 210 mm rispetto al mio obiettivo 28-300mm a 300 mm! Ho trovato un thread del forum su questo obiettivo che spiega:

Chiunque si aspetti di poterlo utilizzare come macro dovrebbe controllare attentamente l'ingrandimento massimo: 0,32x. Essendo un obiettivo IF, il Nikkor aumenta notevolmente l'angolo di visione con una messa a fuoco più ravvicinata. [...] 0,32x a 50 cm si calcola approssimativamente a una lunghezza focale di 92 mm alla [distanza minima di messa a fuoco] ... quindi "drammaticamente" avrebbe potuto essere scritto anche in maiuscolo.

Mi piacerebbe capire meglio quali principi di costruzione dell'obiettivo e / o fisica portano a questo comportamento controintuitivo. A livello pragmatico: è chiaro che posso derivare il campo visivo effettivo alla minima distanza di messa a fuoco dall'ingrandimento massimo elencato nelle specifiche, ma come posso fare per determinare il campo visivo effettivo ad altre distanze? Ad esempio, come determinerei il campo visivo del mio obiettivo 28-300 mm a 300 mm e 3 metri? Possono essere calcolati o devono essere determinati empiricamente? Se devono essere determinati empiricamente, ci sono persone che documentano pubblicamente questo genere di cose?

Il principio della fisica dietro questo comportamento non è altro che la formula delle lenti sottili:

1/o + 1/i = 1/f

Dove o è la distanza dell'oggetto (distanza dall'obiettivo al soggetto), i è la distanza dell'immagine (distanza dall'obiettivo al sensore) e f è la lunghezza focale.

Per una distanza dell'oggetto molto grande (avvicinandosi all'infinito) il termine 1 / o scende a zero, quindi:

1/i = 1/f
i = f

Ciò significa che un semplice obiettivo da 300 mm formerà un'immagine focalizzata di un oggetto molto molto lontano ad una distanza di circa 300 mm dietro l'obiettivo. Ciò significa che se è montato in un tubo che posiziona l'obiettivo a 300 mm dal sensore, si otterranno fotografie nitide e focalizzate di oggetti all'orizzonte.

Che dire di un oggetto vicino all'obiettivo a una distanza di 600 mm?

1/600 + 1/i = 1/300
1/i = 1/600
i = 600

Lo stesso obiettivo da 300 mm montato in un tubo da 300 mm produce immagini di oggetti a questa distanza che sono completamente sfocate, tuttavia se allunghiamo il tubo a 600 mm il nostro oggetto da vicino viene messo a fuoco nitido.

Abbiamo creato un obiettivo "unit focus". Il problema con tali obiettivi è che aumentano notevolmente la lunghezza fisica durante la messa a fuoco.

Per evitare un cambiamento così grande nella lunghezza fisica in una lente con messa a fuoco ravvicinata come il 28-300 mm, i progettisti impiegano la "messa a fuoco posteriore" che funziona variando la lunghezza focale durante la messa a fuoco ravvicinata. Tornando alla formula dell'obiettivo sottile, se un obiettivo da 300 mm montato a una distanza fissa cambia in un obiettivo da 100 mm, la messa a fuoco cambia da infinito a:

1/o + 1/300 = 1/100
1/o = 1/150
o = 150

Centocinquanta millimetri (che è davvero dannatamente vicino!).

In teoria puoi usare le stesse formule per calcolare le lunghezze focali relative a diverse distanze di messa a fuoco, ma con l'avvertenza che in una lente multi-elemento complessa la distanza o corrisponde alla distanza dell'oggetto dal piano principale anteriore e alla distanza che corrisponde alla distanza dell'immagine dal piano principale posteriore. La posizione di questi piani dipende dal design dell'obiettivo e non viene spesso specificato dal produttore.

In definitiva, la messa a fuoco posteriore rende relativamente facile abbassare la distanza minima di messa a fuoco, il che consente ai produttori di dare uno schiaffo alla "macro" sulla descrizione e vendere più obiettivi, ma poiché le lunghezze focali sono sempre convenzionalmente indicate con l'obiettivo a fuoco infinito in cui si trova il cliente il buio su ciò che sta realmente accadendo. Tutto quello che puoi fare è trattare i valori di lunghezza focale e apertura dichiarati come valori approssimativi solo per distanze di messa a fuoco moderate.