Как работают объективы с постоянной диафрагмой?

Более дешевые зум-объективы обычно быстрее в широком конце и медленнее в длинном (например, Canon EF-S 18–55 мм за f / 3,5–5,6 за 150 долларов). Более дорогие зум-объективы с постоянной диафрагмой имеют одинаковую диафрагму независимо (например, Canon EF 17-40 мм f / 4,0 л за 800 долл. США).

Мой вопрос: эти хорошие объективы мешают песком при более широких настройках, или у них другая оптическая система, которая позволяет им сохранять одинаковую диафрагму во всем диапазоне увеличения?

К сожалению, другие ответы не более чем намекают на мотивацию, которая может быть связана с выбором дизайна. Ни один из них на самом деле даже не намекает на то, насколько сильно различаются фиксированные и переменные диафрагмы.

Там является на самом деле довольно принципиальное отличие в дизайне. Диафрагма (часть, которая образует отверстие) практически в любой линзе находится где-то около середины линзы. При фиксированном увеличении диафрагмы только элементы позади диафрагмы перемещаются для увеличения. При переменном масштабировании диафрагмы элементы, расположенные позади и перед апертурой, перемещаются для увеличения.

По крайней мере, в обычном случае диаметр диафрагмы не изменяется при увеличении. Это довольно легко проверить - делайте снимки с разным коэффициентом масштабирования и максимальной диафрагмой с некоторыми несфокусированными бликами. По крайней мере, с вашим обычным зум-объективом, блики не в фокусе будут оставаться круглыми на всех фокусных расстояниях, указывая, что диафрагма остается широко открытой (там, где она круглая). Остановите объектив на несколько остановок, и вы начнете видеть форму при закрытии лепестков диафрагмы (хотя объективы с большим количеством лезвий, особенно закругленных, будут сохранять почти круглые блики несколько больше, чем другие).

Когда / если элементы перед диафрагмой перемещаются во время масштабирования, вы изменяете (эффективное) фокусное расстояние этой части объектива. Затем вы пропускаете свет через апертуру фиксированного диаметра, что означает (эффективный) f / stop изменения. Поскольку на это влияет только изменение эффективного фокусного расстояния элементов перед диафрагмой, это изменение (обычно) не коррелирует точно с изменением общего эффективного фокусного расстояния - перемещение элементов за диафрагмой изменяет эффективный фокус длина без изменения эффективной диафрагмы (например, мои 28-135 имеют диапазон увеличения почти 5: 1, но диафрагма изменяется только от f / 4.0 до f / 4.5).

Они имеют разную оптику и, как правило, объективы значительно большего размера для одного и того же диапазона фокусных расстояний (сравните 70–200 мм f / 2,8 с 70–300 мм f / 4,5–5,6 и посмотрите, что последний сравнительно мал). Чтобы получить постоянную диафрагму на длинном конце, вам нужно иметь больший ствол, потому что апертура является отношением к фокусному расстоянию. Однако, если вы делаете математику для своих примеров:

18 мм f / 3,5 означает отверстие 5,14 мм 55 мм f / 5,6 означает отверстие 9,82 мм

17 мм f / 4.0 означает отверстие 4,25 мм 40 мм f / 4.0 означает отверстие 10 мм

Понятно, что физический диаметр отверстия может быть больше в обоих случаях. Таким образом, в любом случае вы бы теоретизировали, что в самом широком смысле вы должны быть в состоянии f / 2.0 или около того, и ваш сценарий мешков с песком будет применяться к обоим. С другой стороны, для последнего оптика может быть упрощена и, таким образом, в результате достигнет первоклассного качества. Итак ... Компромиссы.

В любом случае, в зумировании используется довольно сложная конструкция, гораздо больше, чем у простого объектива, и поэтому существует множество соображений относительно оптической коррекции на различных фокусных расстояниях, влияния диафрагмы на эту коррекцию и так далее. Может быть, учитывая конструкцию объектива и связанные с этим затраты, что попытка получить более широкую длину на коротком конце приведет к чрезвычайно неприемлемой мягкости изображения или некоторым другим формам аберрации.

Наконец, наверняка существуют разные оптические конструкции между ними. Черт, есть разные оптические конструкции между объективами одинаковой конфигурации, но разных производителей. Все сводится к стоимости в сравнении с выгодой и, в конце концов, какой ценой будет стоить рынок за линзу данной конструкции.

Проще говоря, отношение f / 4.0 означает, что эффективный размер апертуры равен фокусному расстоянию, разделенному на 4 - для 600mm f / 4.0 это не означает, что буквально 150-миллиметровое отверстие, где находятся лепестки диафрагмы, только то, что объектив ведет себя так, как будто есть. (если вы посмотрите на дизайн Canon 600 f / 4.0, станет ясно, что нет места для отверстия 150 мм в центре объектива).

Это принцип работы объективов с постоянной диафрагмой, размер виртуальной диафрагмы изменяется во всем диапазоне увеличения, несмотря на то, что на лице физическая диафрагма явно остается той же самой величины.

Все масштабирования изменяют размер виртуальной или эффективной диафрагмы при масштабировании, «постоянная диафрагма» (действительно постоянное отношение f) просто меняет диафрагму достаточно, чтобы поддерживать диафрагму и фокусное расстояние одинаковыми. Конструкция объективов с «постоянной диафрагмой» радикально не отличается, только степень изменения видимой диафрагмы.

Чтобы украсть числа из ответа Джона (чтобы потом их не обрабатывать), размер виртуальных отверстий для двух упомянутых линз:

Canon EF-S 18-55 мм f / 3,5-5,6 5,14 мм при 18 мм - 9,82 мм при 55 мм

Canon EF 17-40мм f / 4.0 4.25мм при 17мм - 10мм при 40мм

Если бы оптика в 18-55 делала виртуальную диафрагму 15 мм на длинном конце, это была бы линза с постоянной диафрагмой (@ f / 3.5), однако это было бы очень дорого из-за [относительно] большого диапазона увеличения, поэтому дешевый объектив остается F / 5,6

В объективе с постоянной апертурой не происходит мешковины, в широком конце объектив старается изо всех сил, просто он спроектирован так, чтобы вести себя быстрее на длинном конце!

Мой вопрос: являются ли эти хорошие объективы мешками с песком при более широких настройках, или у них другая оптическая система, которая позволяет им сохранять одинаковую диафрагму во всем диапазоне увеличения?

Помните, что при использовании диафрагменного числа для представления диафрагмы оно выражается в виде доли фокусного расстояния, поэтому при масштабировании эффективный диаметр той же диафрагмы представляется в виде другого числа. f / 2,8 на 20 мм - это половина эффективного диаметра диафрагмы f / 2,8 на 40 мм. Таким образом, масштабирование с постоянной диафрагмой на самом деле «не поддерживает одинаковую диафрагму во всем диапазоне увеличения» как таковое. Фактически, увеличение 18-55, которое поддерживает один и тот же эффективный диаметр диафрагмы во всем диапазоне увеличения, будет примерно таким же, как f / 3,5-10,7.

Таким образом, ни один из типов зум-объективов не поддерживает одинаковый эффективный диаметр диафрагмы. Обратите внимание, что эффективный диаметр не обязательно является истинным диаметром кольца диафрагмы, так как часть эффекта масштабирования заключается в том, что само кольцо диафрагмы увеличивается. Но эффективный диаметр - это то, что важно .

Дизайнеры объективов борются за решение ряда проблем, включая хроматические аберрации, искажения, резкость и виньетирование. С зум-объективом это тем более сложно, потому что они должны решать эти проблемы не только на одном фокусном расстоянии, но и во всем диапазоне зума. Тем не менее, вся конструкция линз идет на компромиссы просто потому, что существует так много противодействующих сил. Для зум-объектива дизайнеры объектива решают, с какой диафрагмой они могут справиться на каждом фокусном расстоянии в диапазоне зума, без слишком большого смягчения или других проблем, таких как виньетирование.

Желательно, чтобы зум-объектив имел гораздо более широкий эффективный диаметр диафрагмы на конце телеобъектива, чем на широком конце, потому что при увеличении изображения требуется больше света для того, чтобы такое же количество попадало на сенсор / пленку. То есть вам нужно, чтобы он был намного шире, чтобы достичь того же числа f.

Более дешевые трансфокаторы часто просто делают больше компромисса по скорости на теле конце, чем более дорогие.

Постоянное увеличение диафрагмы, например, Canon EF 17-40 мм f / 4,0 л, о котором вы говорили, делает другой компромисс; они приложили гораздо больше усилий для получения более широкой эффективной диафрагмы в конце телефото. В результате, тем не менее, они используют больше стекла и создают более тяжелые линзы. Поскольку все тоже является компромиссом, они не хотят, чтобы их усилия по увеличению диафрагмы на телеобъективе увеличивали мягкость или виньетирование на широком конце, так что это ограничивает максимальную диафрагму на широком конце. Таким образом, вы получаете другой баланс размеров диафрагмы по сравнению с более дешевым, более легким «переменным» (в действительности фактически меньшим изменением с точки зрения фактического диаметра диафрагмы) масштабом диафрагмы, и все, что на самом деле зависит от того, какие компромиссы были сделаны в конструкция объектива.

Речь идет о правильной комбинации вогнутых и выпуклых элементов, чтобы уменьшить потерю света во всем диапазоне увеличения. Хотя f / 4.0 может показаться, что вы обманываете более быструю диафрагму, это скорее результат получения резкого изображения без хроматической аберрации при сохранении постоянной синхронизации и освещения во всем диапазоне увеличения и фокусного расстояния.

У Canon есть очень хорошая литература, объясняющая все это, а также то, как оптическая дифракция используется в некоторых из их новых объективов, чтобы противостоять всем предшествующим недостаткам обычной оптики. Я опубликую это, как только найду это снова.

Я согласен с оценкой user86418, согласно которой в ответе Джерри Коффина это имеет обратный характер, хотя, по-видимому, он связал числовую апертуру с ƒ / число.

Цитата outdoorphotographer.com

При переменном увеличении диафрагмы ... элементы перед и позади диафрагмы перемещаются (и сама диафрагма перемещается), поэтому входной зрачок не изменяется пропорционально увеличению, а число the изменяется при увеличении линзы. (Примечание. Некоторые зуммирующие элементы также могут изменять диаметр диафрагмы при масштабировании.)

Существует целый ряд «формул» для зум-объективов, но в основном телесум изменяет увеличение (фокусное расстояние), перемещая элементы перед апертурной диафрагмой.

На сайте Пьера Тоскани представлены подробные оптические диаграммы увеличения с постоянной апертурой:

Как ни странно, (в настоящее время) принятый ответ делает его полностью неправильным. Либо это, либо его терминология «перед диафрагмой» и «за диафрагмой» видна со стороны датчика (что не имеет большого смысла), а не с передней линзы.

Входной зрачок, изображение отверстия диафрагмы, видимое через переднюю линзу, имеет диаметр, пропорциональный фокусному расстоянию при масштабировании с постоянной числовой апертурой (с этим работают фотографы и который обычно соответствует размеру отверстия физической апертуры). лопасти). Очевидно, что это изменение видимого размера требует изменения элементов линзы между диафрагмой и передней линзой. Это изменение будет достаточным для воздействия на желаемое изменение фокусного расстояния при постоянном численномпроем в простых конструкциях; однако современный зум-объектив содержит гораздо больше элементов, чем только те, которые отвечают за определение фокусного расстояния: также задействовано множество корректирующих элементов. Перемещение какой-либо задней группы в дополнение к передним группам, таким образом, зависит от точного оптического рецепта.