Quando você aumenta o zoom com uma lente em uma SLR, por que a lente entra e sai?

Eu acho que isso é mais uma questão de óptica do que de fotografia, mas eu acabei de obter uma SLR com uma lente 18-55 básica. Notei que, quando passamos de 18 para 55 ou 55 para 18, a lente volta fisicamente e depois volta fisicamente?

O que está acontecendo lá? Eu pensaria que, se estou ampliando a lente, deveria sair 100% do tempo, mas a lente realmente sai e depois volta.

Não existe uma relação simples entre o comprimento físico da lente e seu comprimento focal. Por exemplo, um grande angular retrofoco geralmente é mais longo que sua distância focal, enquanto uma lente telefoto é menor que sua distância focal. Dentro de um zoom, você tem vários grupos de lentes que se movem independentemente. A distância focal do zoom depende das posições relativas dos grupos e nem sempre está relacionada simplesmente ao comprimento físico da lente. Dito isto, a explicação mais simples possível para esse comportamento é que o zoom pode ter um design simples de retrofoco.

Zoom de retrofoco

Um zoom de retrofoco é feito de apenas dois grupos. O grupo frontal, com poder de refração negativo e distância focal (negativa) f ₁ , cria uma imagem intermediária virtual do objeto em algum lugar na frente da lente. Esse grupo funciona como os óculos que as pessoas míopes usam: traz o objeto "mais perto dos olhos". A distância focal deste grupo é próxima a -35 mm.

O grupo traseiro, de potência refrativa positiva, transforma no sensor uma imagem real invertida dessa imagem virtual intermediária. A imagem intermediária é o "objeto" para este grupo. A imagem final é como uma cópia invertida da imagem virtual, dimensionada por um fator de ampliação m ₂ próximo a -1, o que é negativo porque a imagem final é invertida.

Supondo que o objeto esteja no infinito, toda a lente tem uma distância focal f  =  f ₁ × m ₂ . Este é um produto de dois números negativos e o resultado é positivo.

No desenho simplificado acima, o primeiro grupo é a lente L1, o segundo grupo é a lente L2, o zoom é focado no infinito, a imagem intermediária está à esquerda, a uma distância x de L2, e o sensor está em P A ampliação de L2 é m ₂ = - x '/ x .

Com esse design, é fácil ampliar a lente movendo o segundo grupo. Quando esse grupo está mais próximo do sensor, ele fornece uma pequena ampliação (por exemplo, cerca de -0,5) e, portanto, uma distância focal mais curta para toda a lente. Quando é movido para frente, mais próximo da imagem intermediária, você tem uma ampliação mais alta (por exemplo, -1,6) e, portanto, uma distância focal mais longa para toda a lente.

No entanto, conforme você altera a ampliação desse grupo, a distância entre o objeto (neste caso, a imagem intermediária) e a imagem final muda. Essa distância é mínima quando o grupo está apenas entre o objeto e a imagem, o que acontece quando a ampliação é -1. Você pode verificar isso facilmente usando uma lupa para focar a imagem de uma lâmpada em um pedaço de papel: a distância entre a lâmpada e a imagem focada é mínima quando a imagem tem o mesmo tamanho do objeto. No caso da lente zoom, como a imagem final deve cair em uma posição fixa (no sensor), a imagem intermediária deve ser movida movendo o grupo frontal. Isso explica o comportamento observado do grupo da frente: conforme você amplia a lente de 18 mm a ~ 35 mm, a ampliação m ₂vai de ~ -0,5 a -1 e o grupo da frente se aproxima do sensor. À medida que você aumenta o zoom para 55 mm, m ₂ passa de -1 a ~ -1,6 e o ​​grupo frontal se afasta do sensor.

Exemplo 1

Este é apenas um modelo (simplificado) teórico para um zoom em que cada grupo é apenas uma lente fina. As distâncias focais dos grupos são -35 mm (grupo frontal) e +35 mm (grupo traseiro). Supondo um objeto no infinito, calculei as configurações do zoom para três distâncias focais. A tabela abaixo mostra as posições dos elementos da lente (em mm do sensor) em função da distância focal em que o zoom está definido:

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

E aqui está um desenho, em escala:

O sensor está à direita. A imagem intermediária (não desenhada) fica 35 mm à esquerda do elemento frontal. O interessante é que os movimentos dos grupos (frente e traseira) correspondem ao que eu vi na maioria dos pequenos zooms médios. Um zoom real pode ter mais grupos (o IS foi mencionado), mas apenas dois são realmente necessários para a ação de zoom.

Exemplo 2

Para um exemplo mais realista, consulte esta patente para alguns zooms Nikon 1 . Não é o melhor exemplo, porque essas lentes são destinadas a uma câmera sem espelho. No entanto, uma das modalidades é um zoom de 10 a 30 mm na faixa média (27 a 81 equiv.), Bastante próximo do alcance de 18 a 55 para 1,6 ×.

Eu gosto deste exemplo, apesar das figuras. Por favor, dê uma olhada na figura na página 1 e, mais especificamente, nas setas na parte inferior, abaixo dos rótulos "G1" e "G2". Essas setas mostram a maneira como os grupos se movem quando a lente é ampliada de grande angular (W) para tele (T). Você pode ver que o grupo da frente recua e avança, enquanto o segundo grupo avança monotonamente. É o que eu vi em muitos zooms de largura e médio porte, embora não em todos eles (não na Nikkor 18-70, por exemplo). Você pode notar que o segundo grupo possui alguns subgrupos, incluindo um grupo para foco (Gf) e um grupo para estabilização de imagem (Gs). Esses subgrupos são, no entanto, irrelevantes quando se considera apenas a ação de zoom.

De qualquer forma, o interessante aqui é que, embora alguns dos exemplos fornecidos tenham três grupos de lentes, a maioria (incluindo a "modalidade preferida") possui apenas dois. Citando a patente (parágrafo 077 na página 67):

Um sistema óptico de acordo com a presente modalidade inclui, por ordem do lado do objeto, um primeiro grupo de lentes com poder de refração negativo e um segundo grupo de lentes com poder de refração positivo.

Esta é exatamente a descrição de uma lente de retrofoco.

Exemplo 3

Aqui está outra patente da Nikon que pode ser mais relevante, pois descreve principalmente o tipo 18-55 de zooms APS-C.

Os exemplos 1 e 2 desta patente são para um design de retrofoco tão simples, com um grupo frontal de distância focal -31,51 mm e um grupo traseiro de distância focal +37,95 mm. Nas tabelas de dados, vemos que, quando você amplia a lente de 18 a 55 mm, o grupo frontal se move primeiro para trás (em direção ao sensor) e depois para frente (para longe do sensor), enquanto o grupo traseiro se move monotonamente para frente.

Esta patente mostra também que o design simples de dois grupos que estou descrevendo aqui não é a única opção possível. Considere o exemplo 5 desta patente. Essa lente possui quatro grupos que se movem de maneiras diferentes à medida que a lente é ampliada. Ao aplicar zoom de 18 a 55 mm, o grupo dianteiro recua e depois para frente e o grupo traseiro avança monotonamente. Assim, como visto de fora, ele se parece com o desenho simples de dois grupos do exemplo 1, embora internamente seja bem mais complexo.

Por outro lado, esse design em particular não está muito longe do design simples de retrofoco. Se dizemos que os grupos 2, 3 e 4 constituem uma espécie de "supergrupo", a lente pode ser descrita como um grupo (G1) de poder de refração negativo seguido pelo supergrupo (G234) de poder de refração positivo. Ainda meio que um retrofoco. Essa descrição não é completamente irracional, pois os grupos 2, 3 e 4 se movem mais ou menos da mesma maneira: todos se movem monotonamente para a frente, à medida que a lente é ampliada de larga para tele, e seu movimento médio é maior que os movimentos relativos entre eles. A partir da tabela de dados da lente, calculei a distância focal desse supergrupo e descobri que ela não muda muito: apenas de 38,6 mm na extremidade larga do zoom para 34,8 mm na extremidade tele.

Embora eu tenha investigado apenas algumas patentes, minha conclusão é que algum tipo de design de retrofoco (mas não necessariamente com apenas dois grupos) provavelmente será ampliado se as três condições a seguir forem atendidas:

• a lente é maior que a distância focal em todas as configurações
• quando ampliado do zoom para o tele, o elemento frontal se move primeiro para trás (mais perto do sensor) e depois para frente
• quando ampliado de amplo para tele, o elemento traseiro se move sempre para frente.

É provável que a primeira condição seja sempre atendida pelos zooms SLR com uma distância focal máxima não superior a 55 mm.

PS: Esta resposta foi muito editada para mesclar melhor várias edições. No processo, incorporei um ponto importante levantado por Stan Rogers, a saber, que o design simples não é o único design possível.

Veja a nota de edição abaixo desta resposta.

A lente é retrofocal na extremidade grande angular e teleobjetiva na extremidade longa. Uma lente de retrofoco é referida como "telefoto invertida" porque é construída de forma semelhante a uma lente telefoto com os elementos invertidos. O efeito diminui à medida que você aumenta o zoom, até atingir cerca de 35 mm, quando a lente começa a se estender e eventualmente se torna uma configuração de telefoto, onde o tamanho da lente, elemento da frente ao elemento da retaguarda, é menor que a distância focal. A lente não é retrofocal nem telefoto entre essas posições. Isso faz com que a lente seja mais longa nos extremos da faixa de zoom do que nas posições intermediárias.

Para obter mais informações sobre esse design, consulte os artigos da Wikipedia sobre o retrofoco Angénieux , que discute a origem do design para o grande angular e as lentes telefoto para o que acontece no longo e longo prazo. De acordo com o artigo da lente telefoto:

As lentes de zoom que são tele-fotos em um extremo da faixa de zoom e o retrofoco no outro agora são comuns.

É essencialmente o que está acontecendo com sua lente de 18 a 55 mm. Tanto quanto sei, as lentes Canon, Nikon, Pentax e Sony (montagem A, não montagem E) de 18 a 55 mm compartilham esse aspecto de design.

Editar: Esta resposta está incorreta porque se baseia em uma definição incorreta de "lente telefoto". Por favor, desconsidere esta resposta; É provável que a resposta de Edgar Bonet esteja correta. Consulte https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

Com a maioria dos designs de lente de zoom à medida que você aumenta o zoom, o corpo da lente e o elemento frontal se estendem, isso é verdade.

Mas existem algumas lentes como a Canon EF 24-70 em que a lente é totalmente estendida em 24 mm e totalmente retraída em 70 mm. Então, a julgar pelos elementos da frente, parece estar trabalhando para trás!

E existem lentes IZ (zoom interno) nas quais o elemento frontal não se move.

Qualquer lente terá muitos grupos de elementos, alguns dos quais serão movidos para fora e outros para dentro. Eu acho que a resposta mais simples é que você não pode apenas julgar pelo que vê o cano e o elemento dianteiro fazendo, há muito mais acontecendo lá dentro. Alguns designs de lentes são muito complicados. Ficarei muito interessado se alguém puder postar uma imagem simples para explicar como esse design de lente específico funciona.