Come funzionano gli obiettivi zoom ad apertura costante?

Gli obiettivi zoom più economici di solito sono più veloci nella parte più ampia e più lenti nella parte più lunga (ad esempio, Canon 150 EF-S 18-55 mm f / 3,5-5,6 da $ 150). Gli obiettivi zoom più costosi ad apertura costante hanno la stessa apertura indipendentemente (ad esempio, Canon EF 17-40mm f / 4.0 L da $ 800).

La mia domanda è: questi buoni obiettivi effettuano il sandbagging con impostazioni più ampie o hanno un sistema ottico diverso che consente loro di mantenere la stessa apertura su tutto il campo dello zoom?

Sfortunatamente, le altre risposte non fanno altro che suggerire la motivazione che potrebbe essere coinvolta nella scelta di progettare l'una o l'altra. Nessuno di loro suggerisce nemmeno in che modo lo zoom ad apertura fissa e variabile differisca davvero.

V'è in realtà una differenza abbastanza fondamentale nella progettazione. Il diaframma (la parte che forma l'apertura) in quasi tutti gli obiettivi si trova da qualche parte attorno al centro dell'obiettivo. In uno zoom ad apertura fissa, solo gli elementi dietro il diaframma si spostano per eseguire lo zoom. In uno zoom ad apertura variabile, gli elementi sia dietro che davanti all'apertura si spostano per eseguire lo zoom.

Almeno nel solito caso, il diametro dell'apertura non cambia durante lo zoom. Questo è abbastanza facile da verificare: scatta foto con diversi rapporti di zoom e apertura massima con alcuni punti salienti sfocati. Almeno con il tuo tipico obiettivo zoom, le luci sfocate rimarranno rotonde a tutte le lunghezze focali, indicando che l'apertura rimane aperta (dove è rotonda). Arresta l'obiettivo di alcuni stop e inizierai a vedere la forma dalle chiusure dell'apertura (anche se gli obiettivi con molte lame, specialmente quelli arrotondati, manterranno le luci quasi rotonde un po 'più delle altre).

Quando / se gli elementi davanti all'apertura si spostano durante lo zoom, stai modificando la (focale) lunghezza focale di quella parte dell'obiettivo. Trasmetti quindi luce attraverso un'apertura a diametro fisso, il che significa che le modifiche (effettive) f / stop. Poiché è influenzato solo dalla variazione della lunghezza focale effettiva degli elementi davanti al diaframma, la modifica non (di solito) è correlata esattamente alla variazione della lunghezza focale effettiva complessiva - lo spostamento degli elementi dietro il diaframma modifica la focale effettiva lunghezza senza modificare l'apertura effettiva (ad esempio, il mio 28-135 ha quasi un intervallo di zoom 5: 1, ma l'apertura cambia solo da f / 4.0 a f / 4.5).

Hanno ottiche diverse e di solito sono obiettivi sostanzialmente più grandi per lo stesso intervallo focale (confronta un 70-200mm f / 2.8 con un 70-300mm f / 4.5-5.6 e vedi che quest'ultimo è piccolo in confronto). Per ottenere l'apertura costante all'estremità lunga, è necessario disporre di un barilotto più grande perché l'apertura è un rapporto rispetto alla lunghezza focale. Tuttavia, se fai la matematica per i tuoi esempi:

18 mm f / 3.5 significa un'apertura di 5,14 mm 55 mm f / 5,6 significa un'apertura di 9,82 mm

17mm f / 4.0 significa un'apertura di 4.25mm 40mm f / 4.0 significa un'apertura di 10mm

È chiaro che il diametro fisico dell'apertura può essere maggiore in entrambi i casi. Quindi, in entrambi i casi, teorizzeresti che alla fine più ampia dovresti essere in grado di essere f / 2.0 o giù di lì e il tuo scenario di sandbagging si applicherà a entrambi. D'altra parte, per quest'ultimo, l'ottica può essere semplificata e in tal modo avvicinarsi alla qualità primaria. Quindi ... compromessi.

In ogni caso, gli zoom hanno una costruzione piuttosto complessa, molto più di quanto non farebbe mai una lente primaria, e quindi ci sono molte considerazioni sulla correzione ottica a varie lunghezze focali, l'effetto dell'apertura su quella correzione e così via. Può essere, dato il design dell'obiettivo e i costi associati, che tentare di allargarsi sull'estremità corta comporterebbe una morbidezza enormemente inaccettabile nell'immagine o alcune altre forme di abberazione.

Infine, per certo ci sono diverse costruzioni ottiche tra i due. Diamine, ci sono diverse costruzioni ottiche tra obiettivi della stessa configurazione ma produttori diversi. Tutto si riduce al costo rispetto al vantaggio e, alla fine, al prezzo che il mercato sopporterà per un obiettivo di una data costruzione.

In poche parole, il rapporto f / 4.0 indica che la dimensione effettiva dell'apertura è la lunghezza focale divisa per 4 - per un 600mm f / 4.0 questo non significa che c'è letteralmente un foro di 150 mm dove si trovano le lamelle dell'apertura, solo che l'obiettivo si comporta come se ci fosse. (se osservi il design della Canon 600 f / 4.0 è chiaro che non c'è spazio per un'apertura di 150 mm al centro dell'obiettivo).

Questo è il principio alla base degli obiettivi ad apertura costante, la dimensione dell'apertura virtuale cambia in tutto il campo dello zoom, nonostante il viso l'apertura fisica rimanga chiaramente della stessa dimensione.

Tutti gli zoom cambiano le dimensioni dell'apertura virtuale o effettiva durante lo zoom, mentre "apertura costante" (rapporto f veramente costante) cambia semplicemente l'apertura in modo da mantenere lo stesso rapporto tra apertura e lunghezza focale. Il design degli obiettivi a "apertura costante" non è radicalmente diverso, solo il grado in cui cambia l'apertura apparente.

Per rubare i numeri dalla risposta di John (per evitare di risolverli di nuovo) le dimensioni delle aperture virtuali per le due lenti menzionate sono:

Canon EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 5.14mm @ 18mm - 9.82mm @ 55mm

Canon EF 17-40mm f / 4.0 4.25mm @ 17mm - 10mm @ 40mm

Se l'ottica del 18-55 rendesse l'apertura virtuale di 15 mm all'estremità lunga, sarebbe un obiettivo ad apertura costante (@ f / 3.5), tuttavia sarebbe molto costoso a causa della gamma di zoom [relativamente] ampia, motivo per cui un obiettivo economico rimane f / 5.6

Non ci sono sacchi di sabbia nell'obiettivo ad apertura costante, all'estremità ampia l'obiettivo si sta impegnando il più possibile, è solo che è stato progettato per comportarsi più velocemente sul lungo termine!

La mia domanda è: questi buoni obiettivi effettuano il sandbagging con impostazioni più ampie o hanno un sistema ottico diverso che consente loro di mantenere la stessa apertura su tutto il campo dello zoom?

Ricorda che quando si utilizza un numero f per rappresentare l'apertura, viene espresso come una frazione della lunghezza focale, quindi mentre si esegue lo zoom, lo stesso diametro effettivo dell'apertura viene rappresentato come un numero diverso. f / 2.8 a 20mm è metà del diametro effettivo di apertura di f / 2.8 a 40mm. Quindi lo zoom ad apertura costante in realtà non "mantiene la stessa apertura su tutto il campo di zoom" in quanto tale. In effetti, uno zoom 18-55 che mantiene lo stesso diametro effettivo di apertura su tutta la gamma dello zoom sarebbe qualcosa di simile a f / 3,5-10,7.

Quindi nessuno dei due tipi di obiettivo zoom mantiene davvero lo stesso diametro effettivo di apertura. Si noti che il diametro effettivo non è necessariamente il diametro reale dell'anello di apertura, poiché parte dell'effetto zoom è che l'anello di apertura stesso è ingrandito. Ma il diametro effettivo è ciò che è rilevante .

I progettisti di obiettivi si battono per risolvere una serie di problemi tra cui aberrazione cromatica, distorsione, nitidezza e vignettatura. Con un obiettivo zoom, questo è ancora più difficile perché devono risolvere questi problemi non solo a una singola lunghezza focale ma nell'intera gamma di zoom. Tuttavia, tutti i design delle lenti fanno compromessi semplicemente perché ci sono così tante forze opposte. Per un obiettivo zoom, i progettisti di obiettivi decidono con quale apertura possono scappare a ciascuna lunghezza focale nella gamma di zoom, senza troppo ammorbidimento o altri problemi come la vignettatura.

È auspicabile che un obiettivo zoom abbia un diametro effettivo di apertura molto più ampio all'estremità del teleobiettivo rispetto all'estremità larga, poiché quando l'immagine viene ingrandita è necessaria più luce affinché la stessa quantità cada sul sensore / film. Cioè, è necessario che sia molto più ampio solo per raggiungere lo stesso numero f.

Gli zoom più economici spesso fanno solo un compromesso sulla velocità alla teleobiettivo rispetto a quelli più costosi.

Lo zoom ad apertura costante come la Canon EF 17-40mm f / 4.0 L che hai citato fa un compromesso diverso; hanno fatto molti più sforzi per ottenere un'apertura effettiva più ampia all'estremità del teleobiettivo. Di conseguenza, usano più vetro e creano una lente più pesante. Poiché anche tutto è un compromesso, non vogliono che si sforzino di ottenere un'apertura più ampia sul teleobiettivo per aumentare la morbidezza o la vignettatura all'estremità larga, in modo da limitare l'apertura massima dell'estremità ampia. In questo modo si ottiene un diverso bilanciamento delle dimensioni dell'apertura rispetto allo zoom dell'apertura "variabile" più economico, più leggero (in realtà in realtà meno variazione in termini di diametro effettivo dell'apertura) e tutto ciò da cui dipende davvero è il tipo di compromessi in cui sono stati effettuati il design dell'obiettivo.

Si tratta di avere la giusta combinazione di elementi concavi e convessi in atto per ridurre la perdita di luce in tutto il campo dello zoom. Mentre f / 4.0 potrebbe sembrare che ti stia tradendo con un'apertura più veloce, è più il risultato di ottenere un'immagine più nitida senza aberrazione cromatica, pur mantenendo un tempismo e un'illuminazione coerenti per tutto lo zoom e la gamma focale.

Canon ha una buona letteratura che spiega tutto questo, insieme a come viene utilizzata la diffrazione ottica in alcuni dei loro obiettivi più recenti per contrastare tutti i lati negativi precedenti con l'ottica normale. Lo posterò non appena lo troverò di nuovo.

Concordo con la valutazione di user86418 secondo cui la risposta di Jerry Coffin ha questa risposta all'indietro, anche se a sua volta sembra aver confuso l'apertura numerica con ƒ / numero.

Citando outdoorphotographer.com

In uno zoom ad apertura variabile ... gli elementi davanti e dietro il diaframma si muovono (e il diaframma stesso si muove), quindi la pupilla d'ingresso non varia in proporzione all'ingrandimento e il numero changes cambia mentre si ingrandisce lente. (Nota: anche alcuni zoom potrebbero cambiare il diametro dell'apertura fisica durante lo zoom.)

Esistono numerose "formule" di obiettivi zoom, ma sostanzialmente un telezoom modifica l'ingrandimento (lunghezza focale) spostando gli elementi davanti al diaframma di apertura.

Il sito di Pierre Toscani fornisce diagrammi ottici dettagliati di uno zoom ad apertura costante:

Stranamente, la risposta (attualmente) accettata la sbaglia completamente. O quello, o la sua terminologia di "prima dell'apertura" e "dietro l'apertura" è vista dal lato del sensore (che non avrebbe molto senso) piuttosto che dall'obiettivo anteriore.

La pupilla d'ingresso, l'immagine dell'apertura del diaframma vista attraverso l'obiettivo frontale, ha un diametro proporzionale alla lunghezza focale durante lo zoom con apertura numerica costante (che è ciò con cui i fotografi lavorano e che di solito corrisponde alla dimensione di apertura dell'apertura fisica pale). Ovviamente questo cambiamento delle dimensioni apparenti richiede un cambiamento negli elementi dell'obiettivo tra l'apertura e l'obiettivo anteriore. Questa modifica sarà sufficiente per influire sulla variazione desiderata della lunghezza focale a valori numerici costantiapertura in disegni semplici; tuttavia, un moderno obiettivo zoom contiene molti più elementi rispetto ai soli responsabili della determinazione della lunghezza focale: sono coinvolti anche molti elementi correttivi. Il fatto che uno qualsiasi dei gruppi posteriori si muova in aggiunta ai gruppi anteriori è quindi una questione dell'esatta ricetta ottica.