Como uma lente com uma distância focal única pode se concentrar em mais de um plano?

Por definição, uma lente principal é um sistema de lente fixo com uma distância focal fixa.

Então, a física simples nos diz que deve ser capaz de focar apenas em um plano (a uma distância fixa) à sua frente. Mas, na verdade, você pode se concentrar em objetos próximos e distantes.

O que estou perdendo aqui?

Uma lente principal ainda possui um elemento de foco em movimento, permitindo alterar o plano focal através do alcance do alcance do anel de foco. A prime é uma lente que possui uma distância focal fixa (100 mm, 50 mm, etc.) em oposição a um zoom que permite cobrir uma faixa de distâncias focais (70 mm a 200 mm, por exemplo).

Uma lente de foco fixo não pode alterar seu plano focal, mas isso não é o mesmo que uma lente principal.

Esta é uma falta fundamental de compreensão do que significa distância focal. Comece com uma lente simples de elemento único. Mantenha-o longe o suficiente do avião para que algo a uma distância "infinita" (por exemplo, o sol ou a lua) esteja em foco. A distância da lente para o que você está focando é a distância focal dessa lente.

A distância focal, no entanto, é uma conseqüência direta de quanto a lente refrata a luz, o que (pelo menos na maior parte) depende de duas coisas: o índice de refração do vidro / plástico / o que quer que esteja na lente e a curvatura da lente superfícies.

Para alterar o foco da lente, mova a lente em relação ao plano no qual está formando a imagem. Especificamente, para focar em um objeto mais próximo, você move a lente para que fique mais distante do plano de foco.

Dada a situação normal em que a lente projetará uma imagem um pouco maior que o sensor / plano de filme, conforme você move a lente para mais longe do plano focal, o ângulo de visão gravado no plano focal diminui. Na realidade, isso não é uma mudança no ângulo de visão fornecida pela lente, apenas uma redução na parte do ângulo de visão fornecida pela lente que seu sensor / filme é capaz de gravar:

Aqui, as linhas cinza representam a imagem que está sendo projetada pela lente. O inferior representa o que conseguiríamos com ele focado no infinito, e o superior com ele focado consideravelmente mais perto. As linhas vermelhas na parte superior mostram o ângulo de visão aparente mais estreito devido ao foco mais próximo. Note, no entanto, que é realmente uma questão de não capturar toda a imagem projetada pela lente, não uma questão de a lente ter um ângulo de visão mais estreito.

Pelo que vale, o mesmo efeito é responsável pelo fato de a abertura efetiva ficar menor à medida que você focaliza mais perto - a luz projetada além das bordas do sensor obviamente não é projetada no sensor; portanto, quanto mais próximo você focaliza, menos luz fica focado no sensor, para que a menor quantidade de luz da parte central da imagem seja espalhada por toda a área central. Isso significa que há menos luz em qualquer parte do sensor, portanto, a menor abertura efetiva (por exemplo, com uma lente macro típica a 1: 1, você perde quase 2 pontos completos, portanto uma lente classificada em f / 2.8 precisa aproximadamente de f / 5,6 exposição).

Há um outro efeito que manter em mente assim: uma lente que faz focagem interna é basicamente também um zoom - ou seja, ele não mudar o comprimento focal (e correspondente ângulo de visão através da lente) como você se concentrar. Alguns (por exemplo, o 105 Micro-Nikkor atual) são projetados para que esses efeitos se neutralizem (principalmente de qualquer maneira), para que você mantenha aproximadamente o mesmo ângulo de visão real , independentemente de onde você está focado.

Primeiro, a distância focal é uma propriedade de uma lente (por lente, quero dizer um pedaço de plástico ou vidro que está dentro do sistema de lentes fotográficas da sua câmera ). Se você tiver apenas uma lente (pense em uma lupa) e a mover em relação a um objeto e seu plano de projeção (ou um sensor em uma câmera), a distância focal dessa lente permanecerá a mesma. A distância focal é decidida durante a fabricação da lente (não é o caso do olho humano, que pode alterar a distância focal usando os músculos).

No entanto, com a mesma lente, você pode focalizar objetos a distâncias diferentes usando esta fórmula:

1/f = 1/s1 + 1/s2

Onde festá a distância focal da sua lente, s1a distância do centro da lente ao plano de projeção e s2a distância do centro da lente a um objeto. Para focar em um objeto a uma distância diferente, basta ajustar a posição da lente em relação ao sensor de acordo. Mais uma vez, a distância focal fsempre permanece a mesma.

Daí resulta que, se você estiver tirando uma foto de um objeto infinitamente distante 1/f = 1/s1 + 0, sua distância focal corresponderá à distância do sensor, mas para qualquer outra distância, não será esse o caso.

Então eu acho que a confusão surge ao olhar para as lentes principais como um sistema fixo. Os sistemas de lentes principais podem alterar a distância da lente real ao sensor, mas isso não altera a propriedade dessa lente chamada distância focal , que eu também poderia definir neste contexto como a distância do centro da lente ao sensor quando um objeto infinitamente distante está em foco .

Não acho que as outras respostas tenham me deixado claro e não tenham resolvido a confusão.

Então, a física simples nos diz que deve ser capaz de focar apenas em um plano (a uma distância fixa) à sua frente. Mas, na verdade, você pode se concentrar em objetos próximos e distantes ... O que estou perdendo aqui?

A parte que falta é que a distância focal de uma lente é medida quando ela é focada no infinito.

A distância focal é a distância do centro óptico da lente ao plano da imagem quando a lente está focada no infinito . Se você se concentrar em algo mais próximo, a distância do centro ao plano da imagem também poderá mudar, mas isso não significa que não seja uma lente principal. A diferença entre uma lente principal e um zoom é que a distância do centro ao plano da imagem é sempre a mesma para uma lente principal quando a lente está focada no infinito , enquanto essa distância para um zoom pode estar em qualquer lugar em uma faixa de valores quando a lente está focado no infinito .