Как зум-объективы ограничивают их самую широкую диафрагму в конце телефото?

Закрывает ли кольцо диафрагмы апертуры за, скажем, 5.6 в длину, телеобъектив объектива? Не создает ли объектив препятствие для кольца диафрагмы, чтобы объектив больше нельзя было открывать за диафрагмой на конце телеобъектива?

И почему линзы так себя ведут? Почему у них нет постоянных отверстий во всем фокусном диапазоне?

Входной зрачок ограничен диаметром переднего элемента, и именно это обычно ограничивает максимальную диафрагму телеобъектива, а не физический размер апертурной диафрагмы.

Физический размер диафрагмы является лишь частью того, что определяет максимальную диафрагму, выраженную как число f объектива. Увеличение между передней частью объектива и расположением диафрагмы также играет роль. Число f диафрагмы определяется отношением фокусного расстояния объектива к диаметру входного зрачка , часто называемого эффективной диафрагмой. Говоря простым языком, диаметр входного зрачка определяется тем, насколько широко открывается отверстие диафрагмы при просмотре через переднюю часть объектива .

Когда объективы с постоянным увеличением диафрагмы перемещаются для изменения фокусного расстояния, увеличение между передней частью объектива и диафрагмой - это то, что обычно изменяется, а не физический размер диафрагмы. Изменение увеличения - это то, что позволяет входному зрачку казаться больше при больших фокусных расстояниях и меньше при более коротких фокусных расстояниях. Объектив 70-200 мм f / 2.8 имеет входной зрачок диаметром 25 мм при 70 мм и f / 2,8. На расстоянии 200 мм входной зрачок при f / 2,8 имеет толщину чуть более 71 мм. Фактическая физическая диафрагма имеет одинаковый размер в обоих случаях. Что изменилось, так это величина увеличения между диафрагмой и передней частью объектива.

Обратите внимание, что этот же принцип обычно применяется и в объективах с переменным увеличением диафрагмы. Возьмите, например, 18-300-мм объектив с фокусным расстоянием f / 3,5-5,6. На 18 мм входной зрачок для f / 3.5 имеет ширину примерно 5,14 мм. На 300 мм входной зрачок для f / 5,6 в 10 раз больше, чем на 53,6 мм в ширину. Обратите внимание, что большинство зум-объективов с максимальным фокусным расстоянием 300 мм и f / 5,6 имеют передние элементы, диаметр которых немного превышает 54 мм. Необходимый размер входного зрачка является причиной! Если бы входной зрачок на 300 мм по-прежнему имел ширину 5,14 мм, а на 18 мм и f / 3,5, максимальная диафрагма на 300 мм была бы f / 58!

Так почему же не все зум-объективы используют достаточное увеличение, чтобы сохранять постоянную диафрагму во всем диапазоне зуммирования? Прежде всего, это стоимость, связанная с дополнительными размерами, весом и сложностью, необходимыми для изготовления линзы с постоянной апертурой.

Входной зрачок не может быть намного больше диаметра переднего элемента объектива для объектива с узким углом зрения. При 200 мм для диафрагмы f / 5,6 требуется входной зрачок диаметром почти 36 мм. Большинство современных сменных объективов имеют по меньшей мере такой большой диаметр, поскольку монтажные фланцы на большинстве современных камер со сменными объективами имеют диаметр примерно 42-54 миллиметра. (Обратите внимание, что речь идет о ширине отверстия в монтажном фланце, а не о расстоянии монтажного фланца перед плоскостью датчика / пленки, которое называется расстоянием регистрации.) С другой стороны, при 200 мм Диафрагма f / 2,8 требует входного зрачка шириной примерно 71,4 мм. Это требует, чтобы линза была значительно большего диаметра, чем отверстие в монтажном фланце.

Мало того, что тубус объектива и все части линзы, которые окружают оптический путь, должны быть больше и, следовательно, требовать большего количества сырья, из которого они изготовлены, но фактические оптические элементы также должны быть и большего диаметра. и толще, чтобы поддерживать те же углы преломления. Более крупные линзовые элементы также вводят больше аберраций, которые требуют коррекции Часто самыми дорогими материалами в линзе являются те, которые используются для изготовления этих корректирующих оптических элементов. Добавление элементов для исправления таких вещей, как хроматическая аберрация, может привести к дополнительным проблемам, таким как геометрическое искажение, для которых требуется еще больше дополнительных элементов для исправления. Таким образом, не только весь объектив и многие из оптических элементов внутри должны быть больше, но также требуется больше оптических компонентов, изготовленных из более дорогих материалов.

Для большинства людей, если они действительно не нуждаются в такой большой апертуре, они будут так же быстро носить с собой более легкую линзу меньшего размера, за которую они платят намного меньше.

Качество современного зум-объектива превосходно, учитывая все производственные проблемы. Производителю не понравится ничего лучше, чем поддерживать постоянную максимальную диафрагму во время увеличения. Это легче сказать, чем сделать.

Число f является отношением. Математически мы делим фокусное расстояние на диаметр рабочей апертуры, чтобы вычислить число f. Нам нужно, чтобы это значение было отношением, потому что отношение безразмерно. Другими словами, объектив f / 4 пропускает одну и ту же световую энергию на пленку или датчик независимо от размеров объектива. Например, объектив 100 мм с диафрагмой диаметром 25 мм работает при f / 4. Эта резкость обеспечивает ту же яркость изображения, что и система астрономического телескопа с фокусным расстоянием 4000 мм с рабочей апертурой 1000 мм. Оба выставляют одну и ту же перспективу одинаково.

Нам нужна система f-числа, потому что она устраняет хаос. Любой объектив с таким же f-номером, что и любой другой объектив, обеспечивает ту же яркость изображения. Это потому, что фокусное расстояние и диаметр диафрагмы переплетаются. По мере увеличения и увеличения масштаба изображение тускнеет. Подумайте о перемещении проектора все дальше и дальше от белой стены. Когда вы отодвигаете проектор от стены, проецируемое изображение на стене становится больше и, поскольку свет должен покрывать большую площадь поверхности, изображение становится тусклым. То же самое с зум-объективом.

Каким-то образом производитель линз должен компенсировать это, или постоянное число f не может поддерживаться в течение всего увеличения. Большинство зумов не могут поддерживать постоянное число f. Это становится слишком дорого, и продажи будут потеряны, потому что вы оценили себя вне рынка.

Как сохранить постоянное число F во всем увеличении? Ирисовая диафрагма установлена ​​позади движущейся группы линз. Передняя группа действует как лупа, заставляя видимый диаметр радужки выглядеть больше, если смотреть спереди. Такое размещение позволяет большему количеству света проходить через ирисовую диафрагму по мере увеличения и увеличения объектива. Такое расположение и действие передних линзовых элементов вызывают искажения и аберрации, которые необходимо исправить. Эта коррекция требует сложных линзовых элементов, которые должны двигаться с точностью. Это добавляет к стоимости. Суть в том, что зум с постоянной апертурой очень дорог в изготовлении.

Независимо от того, имеет ли зум-объектив постоянную диафрагму или переменную диафрагму, во-первых, это связано с дизайном, во-вторых, с механическими факторами, такими как открытие или закрытие диафрагмы.

Зум-объектив работает, когда некоторые элементы перемещаются для изменения фокусного расстояния. Это работает из-за уравнения для фокусного расстояния толстой линзы:

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

(2) EFL = 1 / Фи

Где Phi - общая оптическая сила толстой линзы, phi_1 и phi_2 - оптическая сила первой и второй поверхности, t - толщина между ними, а n - показатель преломления линзы. EFL обозначает эффективное фокусное расстояние и является тем, что в разговорной речи называется «фокусное расстояние».

Любая оптическая система, содержащая любое количество элементов, может быть точно смоделирована как одна тонкая линза. Это уравнение также работает для тонких линз, но член t / n исчезает, так как t = 0. Объектив 50 мм f / 1,8 можно смоделировать как одну тонкую линзу с фокусным расстоянием 50 мм, а объектив 18–300 мм можно установить на 50 мм.

Вы также можете использовать эту формулу для моделирования 2 тонких линз. Пока линзы положительны, вы можете увидеть, что, раздвинув их дальше друг от друга, член т / п станет больше. По мере роста мощность уменьшается, а фокусное расстояние увеличивается.

Это суть зум-объектива.

Как только вы вводите диафрагму в оптическую систему, у вас есть так называемые входные и выходные зрачки . Входной зрачок - это изображение остановки диафрагмы, образованной элементами перед ним, а выходной зрачок - это изображение остановки диафрагмы, образованной элементами позади нее.

Зрачки имеют положение и размер точно так же, как элемент линзы или собственно диафрагма. F / # линзы может быть аппроксимирована

(3) f / # = EFL / EPD

Где f / # - это «фокусное отношение», EFL - эффективное фокусное расстояние, а EPD - диаметр входного зрачка.

Давайте вставим ограничитель диафрагмы в середине двух тонких линз, разделенных воздухом. Если мы увеличим EFL системы объективов, переместив объектив вперед, EPD изменится вместе с ним. Если мы увеличим EFL объектива, переместив объектив назад назад, EPD не изменится вместе с ним, так как этот объектив никак не влияет на входной зрачок.

Бывает так, что если вы не сделаете очень большой диапазон увеличения, увеличение диафрагмы, отвечающей за EPD, будет увеличиваться с той же скоростью, что и фокусное расстояние. Поскольку как числитель, так и знаменатель (3) изменились на одну и ту же относительную величину, это соотношение остается тем же, и, следовательно, наша линза могла сместиться с 70 мм до 200 мм и сохранить диафрагму f / 4.

Если бы мы переместили объектив сзади, объектив уменьшился бы примерно до f / 10 или около того, увеличив масштаб с 70 мм до 200 мм.

Современный зум-объектив имеет 3 или 4 группы зума, так что это сложнее, чем это простое объяснение. Если все они находятся перед упором диафрагмы, это все еще верно. Если большинство из них находится перед ограничителем диафрагмы, производитель будет склонен запрограммировать диафрагму на открытие / закрытие, в то время как объектив увеличивает и просто обманывает зазор, чтобы заставить его вести себя как объектив с постоянной апертурой.

Вы можете задаться вопросом, почему бы просто не поставить все группы перед остановкой и покончить с этим - есть две основные причины:

1) Если вы заставляете все масштабирование происходить перед ограничителем диафрагмы, объектив обязательно будет длиннее, чем если бы он мог увеличивать с обеих сторон.

2) Легко спроектировать хорошо скорректированный объектив, если вам разрешено изменять положение элементов с обеих сторон.