Enquanto se lê sobre lentes de zoom, um comentário relativamente comum que aparece nas análises de algumas lentes (especialmente lentes de menor preço) é que a lente não é tão nítida ("suave") em uma ou nas duas extremidades da faixa de zoom da distância focal .
Por que uma lente teria diferentes níveis de nitidez em diferentes distâncias focais e por que os extremos seriam os piores?
Respostas:
Aviso: esta é mais uma das minhas respostas "comprimento do livro" ... :-)
Vamos começar por uma rápida revisão de como funciona uma lente zoom. Considere o design de lente mais simples possível - um único elemento. Um grande problema com uma lente de elemento único é que a distância focal da lente determina a distância que o elemento deve estar do plano / sensor de filme para focar uma cena, de modo que uma lente de 300 mm (por exemplo) precisaria ser A 300 mm do sensor para focar no infinito. Por outro lado, a lente grande angular precisaria estar muito próxima do plano / sensor do filme para focar no infinito.
Os projetistas de lentes logo descobriram um truque bem legal: eles poderiam criar uma distância focal efetiva longa colocando um elemento de distância focal curta na frente e um elemento negativo (um pouco mais fraco) atrás dele. Com o elemento negativo, a luz atingiu o plano do filme exatamente no (s) mesmo (s) ângulo (s), como se tivesse sido refratada por uma lente longa. Exagerando um pouco (ou muito), obtemos uma substituição como a seguinte:
Ambas as lentes têm a mesma distância focal efetiva, mas (obviamente, o suficiente) a segunda é fisicamente um pouco mais curta - ela não precisa ficar na frente da câmera tão longe.
A linha superior duplicada no segundo projeto, no entanto, nos leva ao nosso segundo ponto: aberração cromática. A linha "interna" representa a luz azul passando pelas lentes e a linha vermelha "externa". Devido ao seu menor comprimento de onda, a luz azul é sempre refratada (dobrada) mais à medida que passa pelas lentes do que a luz vermelha. Dependendo do vidro, no entanto, a diferença entre a refração da luz vermelha e azul pode ser bastante grande ou relativamente pequena.
Se escolhermos o vidro certo para o elemento dianteiro versus o elemento traseiro, podemos obter aproximadamente o que é mostrado na figura - a quantidade de flexão extra no elemento dianteiro é exatamente compensada pela quantidade de flexão extra no segundo elemento; as luzes vermelha e azul entram em foco exatamente juntas.
Com uma lente zoom, no entanto, as coisas não funcionam tão facilmente. Para obter uma lente zoom, adotamos o segundo design, mas movemos o elemento traseiro em relação ao elemento frontal. Nesse caso, se movermos o elemento frontal para frente, a luz azul terá desviado menos do vermelho quando eles entrarem no segundo elemento e, como não há mais espaço atrás do segundo elemento, ele será dobrado mais - como um Como resultado, em vez de focar exatamente juntos, a luz azul terminará "fora" da luz vermelha, que aparecerá na imagem como uma aberração cromática.
Por outro lado, se o elemento traseiro for movido de volta para mais perto do sensor, a luz azul terá divergido ainda mais da luz vermelha quando chegar ao segundo elemento. Então, como o segundo elemento está mais próximo do sensor, ele não converge para o vermelho, então ele ainda fica "dentro" do vermelho quando chega ao sensor - novamente, aberração cromática (mas na direção oposta) )
Se deixássemos assim, as lentes com zoom seriam bastante horríveis - toda mudança na distância focal daria enormes quantidades de CA. Para combater isso, os elementos são agrupados. Em vez de apenas o elemento frontal e o segundo elemento, com um compensando a CA introduzida pelo outro, você teria dois grupos de elementos, cada um dos quais compensa sua própria CA, e mover os grupos em relação um ao outro não altere a autoridade de certificação.
Ainda não é tão simples assim. É fisicamente impossível para um grupo de elementos compensar completamente a CA. Um elemento sempre dobra a luz azul por um ângulo maior que o ângulo em que dobra a luz vermelha. Na melhor das hipóteses, se você colocar os elementos realmente próximos, poderá obter a luz vermelha e azul viajando muito próximas e quase paralelas, mas ainda ligeiramente separadas. Se você os dobrar de volta um para o outro, eles só convergirão a uma distância exata; a qualquer outra distância, você terminará com a CA em uma direção ou outra.
Como já observado, no entanto, com uma lente zoom, as distâncias envolvidas devem mudar. O que o designer de lentes normalmente fará é tentar minimizar o pior caso de CA. Fazer isso é bem fácil (pelo menos em teoria): ele olha para a faixa pela qual o elemento traseiro se move e descobre o ângulo que produzirá convergência exatamente no meio dessa faixa. Dessa forma, ele está dividindo as coisas, de modo que a CA fica em uma direção quando o elemento traseiro se aproxima do sensor e na outra direção à medida que se afasta. É claro que, na verdade, não é apenas o elemento traseiro - ele precisa observar a combinação de todos os movimentos de todos os grupos de elementos (e explicar a dispersão introduzida por cada um, é claro).
Uma vez que ele descobre o alcance, no entanto, ele geralmente minimiza o pior caso, dividindo a diferença - otimizando para aproximadamente o meio do intervalo, para que fique um pouco pior em cada direção. A exceção é uma lente que deve ser usada principalmente em uma extremidade ou na outra. Nesse caso, pode fazer sentido otimizar aproximadamente o intervalo de uso esperado e conviver com o fato de que o pior caso será pior do que realmente deveria ser.
Obviamente, isso também está analisando apenas um dos vários fatores importantes para o design de uma lente - o designer também deve levar em conta (pelo menos) coma, astigmatismo, vinheta, distorção e aberração esférica - para não mencionar uma poucos detalhes menores, como tamanho, peso, custo e simplesmente ser capaz de fabricar uma lente real que funciona da maneira como ele a projetou.
Infelizmente, também vi lentes onde as distâncias focais centrais são piores, portanto, sua suposição nem sempre é correta.
Basicamente, um zoom é feito de elementos ópticos em movimento e eles precisam se mover em relação um ao outro para alterar a distância focal da lente. Os engenheiros ópticos são responsáveis por otimizar o desempenho em todo o zoom com um conjunto fixo de peças em uma ordem fixa. Você pode imaginar que este é um processo difícil.
As extremidades são mais vulneráveis a problemas porque os elementos ópticos juntos geralmente funcionam melhor em uma posição definida e quanto mais afastados dessa posição, mais distantes do desempenho ideal.
O design da lente zoom, diferente do design da lente principal (distância focal fixa única), tende a ser bastante complexo. Com uma lente principal, é muito mais fácil corrigir aberrações ópticas, como aberração cromática, aberração esférica, distorção etc. etc., com menos elementos de lente. Quanto menos elementos de lente (lentes de vidro individuais usadas na construção de uma lente de câmera complexa), melhor será a qualidade da imagem, pois cada pedaço de vidro afetará o foco da luz.
As lentes zoom geralmente têm mais elementos do que as lentes prime, às vezes consideravelmente mais. Quando se trata de distâncias focais mais amplas, algumas lentes zoom são maiores que a distância focal e exigem um grupo "retrofocal" na parte traseira. Todos esses elementos extras da lente aumentam as aberrações ópticas, alguns corrigindo as aberrações de outros elementos da lente. Em uma lente de zoom, a correção óptica deve ser feita de forma a produzir a melhor qualidade geral em toda a faixa de zoom, o que geralmente significa que um compromisso deve ser feito em algum lugar (não é possível comer o seu bolo e comê-lo).
As lentes zoom geralmente têm pontos "mais nítidos" e pontos "mais suaves". Nem sempre está nos extremos da faixa focal ... às vezes fica no meio. Às vezes, o comprometimento ocorre com o custo da nitidez "borda" da imagem vs. nitidez "centro", que pode ser pior a uma distância focal que a outra. De qualquer maneira, acomodar uma faixa focal variável requer comprometimento devido à complexidade necessária.
Lentes de alta qualidade geralmente usam ópticas mais avançadas para corrigir aberrações, geralmente a um custo considerável. Uma lente de médio porte pode simplesmente usar mais lentes para corrigir aberrações e ignorar como as aberrações mudam em toda a faixa focal. Uma lente profissional de nível superior é responsável pela variabilidade das aberrações, usa óptica avançada como vidro de alta densidade, vidro de baixa dispersão, elementos de lentes asféricas, elementos de lentes de fluorita, elementos de lentes apocromáticas, grupos corretivos extras, etc. para manter a mais alta qualidade em todo o foco alcance de uma lente zoom. Ainda é necessário fazer acordos em relação às lentes prime, no entanto, o grau de compromisso tende a ser muito menor.
As lentes envolvem correções significativas de anormalidades. Essas anormalidades são conhecidas como aberrações. Há uma variedade de aberrações, algumas das mais comuns são esféricas, astigmatismo, cromática, coma, barril, almofada de alfinetes, curvatura de campo e fora de foco.
Se essas aberrações não existissem, o design das lentes seria muito fácil. Basta colocar uma lente ou duas em uma linha reta e você terá uma imagem perfeita sempre. Mas sabemos que essas aberrações existem. É impossível corrigir completamente essas aberrações, com exceção de um único ponto. Quanto mais aberrações houver, mais "suave" será a imagem.
Pode-se minimizar a distorção por um longo período de tempo, principalmente fabricando lentes mais caras. As lentes mais caras vêm da fabricação de lentes de formato não esférico, mais difíceis de fabricar.
Quanto mais você se afastar do ponto ideal da lente, mais suave será. Alterações de distâncias focais, abertura e distância focal são influências no ponto ideal. Assim, alterar qualquer um dos três degradará a qualidade. Se a lente tiver uma qualidade suficientemente alta, a degradação será quase imperceptível.