Когда вы увеличиваете с помощью объектива на зеркалке, почему объектив входит, а затем выходит?

Я думаю, это больше вопрос оптики, чем фотографии, но я только что получил зеркальную фотокамеру с базовым объективом 18-55. Я заметил, что при переходе с 18 на 55 или с 55 на 18 объектив физически возвращается, а затем физически возвращается?

Что там происходит? Я думаю, что, если я увеличиваю объектив, он должен выходить из строя 100% времени, но объектив на самом деле гаснет, а затем возвращается.

Не существует простой зависимости между физической длиной линзы и ее фокусным расстоянием. Например, широкий угол ретрофокусировки, как правило, длиннее его фокусного расстояния, тогда как телеобъектив короче его фокусного расстояния. Внутри зума у ​​вас есть несколько групп линз, которые перемещаются независимо. Фокусное расстояние зума зависит от относительного положения групп и не всегда просто связано с физической длиной объектива. При этом простейшее объяснение этого поведения заключается в том, что ваш зум может иметь простой дизайн с ретрофокусированием.

Ретрофокусный зум

Retrofocus увеличение производится только из двух групп. Передняя группа с отрицательной силой преломления и (отрицательным) фокусным расстоянием f ₁ создает виртуальное промежуточное изображение объекта где-то перед линзой. Эта группа работает так же, как очки, которые носят близорукие люди: она приближает объект «к глазу». Фокусное расстояние этой группы близко к -35 мм.

Задняя группа, обладающая положительной силой преломления, создает на датчике инвертированное реальное изображение этого промежуточного виртуального изображения. Промежуточное изображение является «объектом» для этой группы. Конечное изображение похоже на инвертированную копию виртуального изображения, масштабированное с коэффициентом увеличения m _2, близким к -1, что является отрицательным, поскольку конечное изображение инвертировано.

Предполагая, что объект находится на бесконечности, вся линза имеет фокусное расстояние f  =  f ₁ × m ₂ . Это произведение двух отрицательных чисел, и результат положительный.

На приведенном выше упрощенном чертеже первая группа представляет собой объектив L1, вторая группа представляет собой объектив L2, масштабирование сфокусировано на бесконечности, промежуточное изображение находится слева, на расстоянии x от L2, а датчик находится на P Увеличение L2 составляет м ₂ = - х '/ х .

Благодаря такой конструкции объектив можно легко масштабировать, перемещая вторую группу. Когда эта группа ближе к датчику, она обеспечивает небольшое увеличение (скажем, около -0,5) и, следовательно, более короткое фокусное расстояние для всего объектива. Когда он перемещается вперед, ближе к промежуточному изображению, вы получаете большее увеличение (скажем, около -1,6) и, следовательно, большее фокусное расстояние для всего объектива.

Однако при изменении увеличения этой группы расстояние между объектом (в данном случае промежуточным изображением) и конечным изображением изменяется. Это расстояние минимально, когда группа находится между объектом и изображением, что происходит при увеличении -1. Вы можете легко проверить это, используя увеличительное стекло, чтобы сфокусировать изображение лампочки на листе бумаги: расстояние между лампочкой и сфокусированным изображением минимально, когда изображение имеет тот же размер, что и объект. В случае зум-объектива, поскольку конечное изображение должно падать в фиксированном положении (на датчике), промежуточное изображение должно перемещаться путем перемещения передней группы. Это объясняет наблюдаемое поведение передней группы: при увеличении объектива от 18 мм до ~ 35 мм увеличение м ₂изменяется от ~ -0,5 до -1, и передняя группа перемещается ближе к датчику. При увеличении масштаба до 55 мм, м ₂ изменяется от -1 до ~ -1,6, а передняя группа удаляется от датчика.

Пример 1

Это просто теоретическая (сверх) упрощенная модель для увеличения, где каждая группа - это просто тонкий объектив. Фокусные расстояния групп -35 мм (передняя группа) и +35 мм (задняя группа). Предполагая, что объект находится на бесконечности, я рассчитал конфигурации зума для трех фокусных расстояний. В приведенной ниже таблице показано расположение элементов объектива (в мм от датчика) в зависимости от фокусного расстояния, на которое установлен зум:

┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│   18 mm   │  121.1  │    53   │
│   35 mm   │  105    │    70   │
│   55 mm   │  112.3  │    90   │
└───────────┴─────────┴─────────┘

А вот рисунок в масштабе:

Датчик справа. Промежуточное изображение (не нарисовано) составляет 35 мм слева от переднего элемента. Интересно то, что движения групп (как спереди, так и сзади) совпадают с тем, что я видел на большинстве небольших средних зумов. Реальный зум может иметь больше групп (было упомянуто IS), но только две действительно необходимы для действия зума.

Пример 2

Для более реалистичного примера см. Этот патент для некоторых зумов Nikon 1 . Это не лучший пример, потому что эти объективы предназначены для беззеркальной камеры. Однако один из вариантов осуществления представляет собой среднечастотный зум 10-30 мм (27-81 эквив.), Довольно близкий по дальности к 18-55 для 1,6-кратного.

Мне нравится этот пример, хотя из-за цифр. Пожалуйста, посмотрите на рисунок на странице 1, а точнее на стрелки внизу, под метками «G1» и «G2». Эти стрелки показывают, как группы перемещаются при увеличении объектива от широкого (W) к теле (T). Вы можете видеть, что передняя группа движется назад и затем вперед, а вторая группа монотонно движется вперед. Это то, что я видел на многих широких и средних частотах, но не на всех (например, на Nikkor 18-70). Вы можете заметить, что у второй группы есть несколько подгрупп, включая одну группу для фокусировки (Gf) и одну группу для стабилизации изображения (Gs). Однако эти подгруппы не имеют значения, если рассматривать только действие масштабирования.

В любом случае, здесь интересно то, что, хотя некоторые из представленных примеров имеют три группы линз, большинство (включая «предпочтительный вариант») имеют только две. Цитирование патента (пункт 077 на стр. 67):

Оптическая система в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает, в порядке со стороны объекта, первую группу линз, имеющую отрицательную преломляющую силу, и вторую группу линз, имеющую положительную преломляющую силу.

Это в точности описание ретрофокусной линзы.

Пример 3

Вот еще один патент от Nikon, который может быть более релевантным, так как он в основном описывает 18-55-кратное увеличение APS-C.

Примеры 1 и 2 этого патента предназначены для такой простой конструкции с ретрофокусировкой, с передней группой фокусного расстояния -31,51 мм и задней группой фокусного расстояния +37,95 мм. Из таблиц данных видно, что при увеличении объектива от 18 до 55 мм передняя группа перемещается сначала назад (в направлении датчика), а затем вперед (в сторону от датчика), а задняя группа монотонно перемещается вперед.

Этот патент также показывает, что простая двухгрупповая конструкция, которую я здесь описываю, не является единственно возможным вариантом. Рассмотрим пример 5 этого патента. Этот объектив имеет четыре группы, которые перемещаются по-разному, так как объектив увеличен. При увеличении от 18 до 55 мм передняя группа перемещается назад, затем вперед, а задняя группа монотонно перемещается вперед. Таким образом, как видно снаружи, это выглядит как простая двухгрупповая схема примера 1, хотя внутренне она довольно сложна.

С другой стороны, этот конкретный дизайн на самом деле не так уж далек от простого дизайна с ретрофокусом. Если мы говорим, что группы 2, 3 и 4 составляют своего рода «супергруппу», то линзу можно описать как группу (G1) с отрицательной преломляющей способностью, за которой следует супергруппа (G234) с положительной преломляющей способностью. Все еще вид ретрофокуса. Это описание не является абсолютно необоснованным, поскольку группы 2, 3 и 4 движутся более или менее одинаково: все они движутся монотонно вперед, так как объектив масштабируется от широкого к теле, и их среднее движение больше, чем относительные движения между ними. Из таблицы данных объектива я рассчитал фокусное расстояние этой супергруппы и обнаружил, что оно не сильно меняется: только с 38,6 мм в широком конце зума до 34,8 мм на теле конце.

Хотя я исследовал только несколько патентов, я пришел к выводу, что какой-то дизайн ретрофокуса (но не обязательно только с двумя группами) может быть увеличен, если выполняются следующие три условия:

• объектив длиннее своего фокусного расстояния при любых настройках
• при увеличении от широкого до телеэлемента передний элемент перемещается сначала назад (ближе к датчику), а затем вперед
• при увеличении от широкого до телеэлемента задний элемент всегда перемещается вперед.

Первое условие, вероятно, всегда выполняется с помощью зум-зеркал с максимальным фокусным расстоянием не более 55 мм.

PS: Этот ответ был сильно отредактирован, чтобы лучше объединить несколько правок. В этот процесс я включил важный момент, поднятый Стэном Роджерсом, а именно, что простой дизайн - не единственно возможный дизайн.

См. Примечание редактирования ниже этого ответа.

Линза ретрофокальна на широком конце и телефото на длинном конце. Ретрофокусная линза называется «перевернутым телеобъективом», потому что она сконструирована аналогично телеобъективу с перевернутыми элементами. Эффект уменьшается при увеличении, пока вы не достигнете примерно 35 мм, при котором объектив начинает расширяться и в конечном итоге становится телеобъективной конфигурацией, где размер объектива, от переднего элемента к заднему элементу, меньше фокусного расстояния. Объектив не имеет ни ретрофокального, ни телеобъектива между этими положениями. Это приводит к тому, что объектив находится длиннее в крайних пределах диапазона увеличения, чем в промежуточных положениях.

Для получения дополнительной информации об этом дизайне см. Статьи в Википедии о Retrofocus Angénieux , в которых обсуждается происхождение дизайна для широкого конца, и телеобъектив для того, что происходит на длинном конце. Согласно статье телеобъектива:

Зум-объективы, которые являются телефотографией в одном крайнем диапазоне диапазона масштабирования и ретрофокусировкой в ​​другом, теперь распространены.

По сути, это то, что происходит с вашим объективом 18-55 мм. Насколько мне известно, объективы Canon, Nikon, Pentax и Sony (A-mount, а не E-mount) 18-55 мм имеют общий дизайн.

Изменить: Этот ответ является неправильным, потому что он основан на неправильном определении «телеобъектив». Пожалуйста, не обращайте внимания на этот ответ; Ответ Эдгара Бонета, вероятно, будет правильным. См. Https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

При увеличении масштаба большинства моделей зум-объективов тубус объектива и передний элемент будут выдвигаться, это действительно так.

Но есть некоторые объективы, такие как Canon EF 24-70, где объектив полностью выдвинут на 24 мм и полностью втянут на 70 мм. Так что, судя по передним элементам, похоже, работает задом наперед!

И есть объективы IZ (внутренний зум), где передний элемент вообще не двигается.

У любого объектива будет много групп элементов, некоторые из которых будут перемещаться «наружу», а другие - «внутрь». Полагаю, простой ответ заключается в том, что нельзя судить только по тому, что видят ствол и передний элемент, внутри происходит гораздо больше. Некоторые конструкции линз очень сложны. Мне будет очень интересно, если кто-то может опубликовать простую картинку, чтобы объяснить, как работает этот конкретный дизайн линзы.