In che modo gli obiettivi zoom limitano la loro apertura massima all'estremità del teleobiettivo?

La ghiera del diaframma blocca le aperture oltre, diciamo 5.6 del teleobiettivo dell'obiettivo? L'obiettivo presenta un ostacolo all'anello di apertura in modo che l'obiettivo non possa più essere aperto oltre l'apertura all'estremità del teleobiettivo?

E perché le lenti si comportano così, comunque? Perché non hanno aperture costanti su tutto il loro raggio focale?

La pupilla d'ingresso è limitata dal diametro dell'elemento frontale, ed è ciò che di solito limita l'apertura massima di teleobiettivi zoom, non la dimensione fisica del diaframma di apertura.

La dimensione fisica del diaframma è solo una parte di ciò che determina l'apertura massima, espressa come un numero f, di un obiettivo. Anche l'ingrandimento tra la parte anteriore dell'obiettivo e la posizione del diaframma gioca un ruolo. Il numero f di un'apertura è determinato dal rapporto tra la lunghezza focale dell'obiettivo diviso per il diametro della pupilla d'ingresso , spesso indicato come apertura effettiva. In un linguaggio semplice, il diametro della pupilla d'ingresso è definito dalla larghezza dell'apertura del diaframma quando viene vista attraverso la parte anteriore dell'obiettivo .

Quando gli obiettivi zoom ad apertura costante vengono spostati per modificare la lunghezza focale, l'ingrandimento tra la parte anteriore dell'obiettivo e il diaframma è ciò che normalmente cambia, non la dimensione fisica del diaframma. Il cambiamento di ingrandimento è ciò che consente alla pupilla di ingresso di apparire più grande a lunghezze focali più lunghe e più piccolo a lunghezze focali più brevi. Un obiettivo 70-200mm f / 2.8 ha una pupilla di ingresso di 25mm di diametro a 70mm e f / 2.8. A 200 mm la pupilla d'ingresso af / 2.8 è larga un po 'più di 71 mm. Il diaframma fisico reale ha le stesse dimensioni in entrambi i casi. Ciò che è cambiato è la quantità di ingrandimento tra il gruppo del diaframma e la parte anteriore dell'obiettivo.

Si noti che questo stesso principio è di solito in gioco anche con obiettivi zoom ad apertura variabile. Prendi, ad esempio, un obiettivo zoom 18-300mm f / 3.5-5.6. A 18 mm la pupilla d'ingresso per f / 3.5 è larga circa 5,14 mm. A 300 mm la pupilla d'ingresso per f / 5.6 è oltre dieci volte quella a 53,6 mm di larghezza. Si noti che la maggior parte degli obiettivi zoom che raggiungono il massimo a 300 mm ef / 5.6 hanno elementi frontali leggermente più grandi di 54 mm di diametro. La dimensione dell'allievo di ammissione necessario è la ragione! Se la pupilla d'ingresso a 300 mm fosse ancora larga 5,14 mm come a 18 mm e f / 3,5, l'apertura massima a 300 mm sarebbe f / 58!

Quindi perché non tutti gli obiettivi zoom utilizzano un ingrandimento sufficiente per rimanere ad apertura costante su tutto il campo dello zoom? Principalmente il costo associato alle dimensioni, al peso e alla complessità aggiuntivi necessari per produrre un obiettivo ad apertura costante.

Una pupilla d'ingresso non può essere molto più grande del diametro dell'elemento frontale dell'obiettivo per un obiettivo con un angolo di visione stretto. A 200 mm un'apertura f / 5,6 richiede una pupilla di ingresso di quasi 36 mm di diametro. La maggior parte degli obiettivi intercambiabili attuali ha almeno un diametro così grande poiché le flange di montaggio sulla maggior parte delle moderne fotocamere con obiettivi intercambiabili hanno un diametro di circa 42-54 millimetri. (Si noti che stiamo parlando della larghezza del foro nella flangia di montaggio, non della distanza della flangia di montaggio davanti al piano sensore / film che viene definita distanza di registrazione.) D'altra parte, a 200 mm un L'apertura f / 2.8 richiede una pupilla d'ingresso larga circa 71,4 mm. Ciò richiede che la lente abbia un diametro significativamente maggiore rispetto al foro nella flangia di montaggio.

Non solo il barilotto dell'obiettivo e tutte le parti dell'obiettivo che circondano il percorso ottico devono essere più grandi e quindi richiedono maggiori quantità di materia prima da cui sono realizzati, ma anche gli elementi ottici reali devono avere un diametro maggiore e più spesso per mantenere gli stessi angoli di rifrazione. Gli elementi dell'obiettivo più grandi introducono anche più aberrazioni che necessitano di correzione. Spesso i materiali più costosi in un obiettivo sono quelli utilizzati per realizzare questi elementi ottici correttivi. L'aggiunta di elementi per correggere cose come l'aberrazione cromatica può introdurre ulteriori problemi, come la distorsione geometrica, che richiedere ancora più elementi aggiuntivi per correggere. Quindi non solo l'intera lente e molti degli elementi ottici all'interno devono essere più grandi, ma richiede anche più componenti ottici realizzati con materiali più costosi.

Per la maggior parte delle persone, a meno che non avessero davvero bisogno di un'apertura maggiore, avrebbero portato con sé un obiettivo più leggero e più piccolo per il quale hanno pagato molto meno.

La qualità di un moderno obiettivo zoom è eccezionale considerando tutti i problemi di produzione riscontrati. Il produttore non vorrebbe niente di meglio che mantenere l'apertura massima costante per tutto lo zoom. Questo è più facile a dirsi che a farsi.

Il numero f è un rapporto. Matematicamente dividiamo la lunghezza focale per il diametro dell'apertura di lavoro per calcolare il numero f. Abbiamo bisogno che questo valore sia un rapporto perché un rapporto è senza dimensioni. In altre parole, un obiettivo f / 4 trasmette la stessa energia luminosa alla pellicola o al sensore indipendentemente dalle dimensioni dell'obiettivo. Ad esempio un obiettivo da 100 mm con un'apertura di 25 mm di diametro, funziona con f / 4. Questa sferza offre la stessa luminosità dell'immagine di un sistema telescopico astronomico con una lunghezza focale di 4000 mm con un'apertura di lavoro di 1000 mm. Entrambi espongono la stessa vista allo stesso modo.

Abbiamo bisogno del sistema f-number perché toglie il caos. Qualsiasi obiettivo impostato sullo stesso numero f di qualsiasi altro obiettivo, offre la stessa luminosità dell'immagine. Questo perché lunghezza focale e diametro dell'apertura sono intrecciati. Man mano che si ingrandiscono ingrandimenti sempre più alti, l'immagine si attenua. Pensa a spostare sempre più un proiettore da un muro bianco. Quando si allontana il proiettore dal muro, l'immagine proiettata sul muro diventa più grande e, poiché la luce deve coprire una maggiore superficie, l'immagine diventa più fioca. Lo stesso con un obiettivo zoom.

In qualche modo il produttore dell'obiettivo deve compensare o non è possibile mantenere un numero f costante durante lo zoom. La maggior parte degli zoom non può mantenere un numero f costante. Diventa troppo costoso da realizzare e le vendite andranno perse perché ti sei posto fuori dal mercato.

Come mantenere un numero f costante durante lo zoom? Il diaframma a iride si trova dietro il gruppo mobile di lenti. Il gruppo anteriore si comporta come una lente d'ingrandimento per far sembrare il diametro apparente dell'iride più grande visto dalla parte anteriore. Questo posizionamento consente a sempre più luce di passare l'iride mentre l'obiettivo ingrandisce sempre più ingrandimenti. Tale posizionamento e azione degli elementi dell'obiettivo anteriore inducono distorsione e aberrazioni che devono essere corrette. Questa correzione richiede elementi dell'obiettivo complessi che devono muoversi con precisione. Questo aumenta il costo. La linea di fondo è uno zoom ad apertura costante molto costoso da realizzare.

Che un obiettivo zoom sia un'apertura costante o un'apertura variabile ha a che fare con il design, in secondo luogo con fattori meccanici come l'apertura o la chiusura di un diaframma.

Un obiettivo zoom funziona facendo spostare alcuni elementi per modificare la lunghezza focale. Questo funziona a causa dell'equazione per la lunghezza focale di un obiettivo spesso:

(1) Phi = phi_1 + phi_2 - (t / n) * phi_1 * phi_2

(2) EFL = 1 / Phi

Dove Phi è la potenza ottica totale della lente spessa, phi_1 e phi_2 sono la potenza ottica della prima e della seconda superficie, t è lo spessore tra loro e n è l'indice di rifrazione della lente. EFL è l'acronimo di lunghezza focale effettiva ed è ciò che viene indicato colloquialmente dicendo lunghezza focale.

Qualsiasi sistema ottico contenente un numero qualsiasi di elementi può essere modellato accuratamente come un'unica lente sottile. Questa equazione funziona anche per obiettivi sottili, ma il termine t / n scompare, come t = 0. Un obiettivo 50mm f / 1.8 può essere modellato come una singola lente sottile di lunghezza focale 50mm, così come un obiettivo 18-300mm impostato su 50mm.

Puoi usare questa formula anche per modellare 2 lenti sottili. Finché le lenti sono positive, puoi vedere che spingendole ulteriormente a parte il termine t / n diventerà più grande. Man mano che cresce, la potenza diminuisce e la lunghezza focale aumenta.

Questa è l'essenza di un obiettivo zoom.

Non appena si introduce un arresto dell'apertura in un sistema ottico, si hanno quelli che sono noti come alunni di entrata e uscita . La pupilla di entrata è l'immagine della battuta di apertura formata dagli elementi di fronte a essa, e la pupilla di uscita è l'immagine della battuta di apertura formata dagli elementi dietro di essa.

Le pupille hanno una posizione e una dimensione proprio come un elemento dell'obiettivo o l'arresto effettivo dell'apertura stessa. Il f / # di un obiettivo può essere approssimato da

(3) f / # = EFL / EPD

Dove f / # è il "rapporto focale", EFL è la lunghezza focale effettiva e EPD è il diametro della pupilla d'ingresso.

Attacchiamo un fermo dell'apertura nel mezzo di due lenti sottili separate dall'aria. Se aumentiamo l'EFL del sistema di obiettivi spostando l'obiettivo in avanti, l'EPD cambierà con esso. Se aumentiamo l'EFL dell'obiettivo spostando l'obiettivo nella parte posteriore all'indietro, l'EPD non cambierà con esso, poiché tale obiettivo non influisce in alcun modo sulla pupilla d'ingresso.

Accade che, a meno che non si esegua una gamma di zoom estremamente ampia, l'ingrandimento del diaframma responsabile dell'EPD aumenta alla stessa velocità della lunghezza focale. Poiché sia ​​il numeratore che il denominatore di (3) sono cambiati della stessa quantità relativa, il rapporto è sempre lo stesso e quindi il nostro obiettivo potrebbe essere passato da 70 mm a 200 mm e mantenere un'apertura di f / 4.

Se avessimo spostato l'obiettivo nella parte posteriore, l'obiettivo avrebbe rallentato a circa f / 10 o circa ingrandendo da 70 mm a 200 mm.

Un moderno obiettivo zoom ha 3 o 4 gruppi di zoom, quindi è più complicato di questa semplice spiegazione. Se tutti sono davanti al fermo dell'apertura, questo è ancora vero. Se la maggior parte di essi si trova davanti al fermo del diaframma, il produttore tenderà a programmare l'apertura / chiusura del diaframma mentre l'obiettivo esegue lo zoom e imbroglia il gap per farlo comportare come un obiettivo ad apertura costante.

Potresti chiederti perché non mettere tutti i gruppi di fronte allo stop e finirlo - ci sono due motivazioni chiave:

1) Se si forza tutto lo zoom di fronte all'arresto dell'apertura, l'obiettivo è necessariamente più lungo di se potesse zoomare su entrambi i lati.

2) È più facile progettare una lente ben corretta se si è autorizzati a modificare la posizione degli elementi su entrambi i lati.