Qual é o ponto de referência a partir do qual a distância focal de uma lente é calculada?

Entendo a idéia de uma distância focal para uma única lente, ou seja, a distância da lente até o ponto em que os raios paralelos de luz convergem. No entanto, no caso de uma lente fotográfica com vários elementos de lente, de onde exatamente é medida a distância focal da lente como um todo?

Vamos começar com o caso simples, um único elemento:

Do topo: lente positiva / convexa, lente negativa / côncava, espelho côncavo, espelho convexo.

Os raios paralelos que entram na lente focalizarão em algum ponto (F), e a distância focal (f) será determinada pela distância entre o centro da lente (o centro óptico ) e o ponto de foco.

Portanto, o ponto de referência é o centro óptico de um único elemento.

OK, mas e as lentes com vários elementos?

Para lentes com vários elementos, não há um ponto de referência que você possa encontrar facilmente . Como diz David, o ponto de referência é o centro de um único elemento hipotético com a mesma distância focal.

Esse ponto de referência pode estar em qualquer lugar - na frente do primeiro elemento, dentro da lente ou atrás do último elemento.

Como o centro óptico pode ser deslocado para fora da lente?

Grupo de telefoto: geralmente usando o que é chamado de grupo de telefoto:

Neste diagrama, existem dois grupos de elementos. O primeiro grupo (à esquerda) age como uma lente "normal" (convexa ou positiva), causando a convergência dos raios (linhas azuis). O segundo grupo (à direita) é o grupo de telefoto, atuando como uma lente negativa que espalha os raios.

O efeito líquido é que o ponto de foco "verá" o equivalente a um único elemento positivo muito mais longe (indicado por linhas pontilhadas em vermelho). É o centro óptico desse hipotético "elemento único equivalente" (H ') que é o ponto de referência para medir a distância focal (f').

Telefoto invertido: você pode trocar os grupos para colocar o grupo de telefoto na frente. Então você obtém uma lente (grande angular) em que a distância entre o último elemento e o ponto de foco pode ser maior que a distância focal. Essa construção é chamada de lente de retrofoco .

Espelhos: você também pode usar espelhos. As lentes espelhadas "reutilizam" seu comprimento físico, balançando os raios para frente e para trás. Novamente, o ponto de foco "verá" o equivalente a um único elemento muito mais distante.

Lente espelho, aqui combinada com o grupo de telefoto

Por que você gostaria de fazer isso?

Para teleobjectivas longas, é porque um design padrão daria uma lente fisicamente longa demais para ser conveniente:

Tele 500mm sem grupo telefoto. Um 500 mm teria que ter pelo menos 50 cm (20 ") de comprimento.

Para lentes grande angular , é para dar mais espaço entre a lente e o sensor de imagem. Como exemplo, existem lentes de 10 mm para DSLRs, mas 10 mm entre o sensor e a lente não deixam espaço suficiente para o espelho. Portanto, as lentes ultra grandes são geralmente projetadas como lentes de retrofoco.

Olho de peixe de 7,5 mm sem retrofoco. Observe o tubo saindo do suporte da lente para aproximar os elementos do filme. A montagem da lente exigiu o bloqueio do espelho, e você não poderia usar o visor ou a medição embutida enquanto a lente estava montada. (Imagem de B&H )

Então, como posso verificar a distância focal da minha lente?

Consulte a medição da distância focal .

Em resumo:

• tire uma foto de dois pontos distantes
• medir o ângulo entre os pontos
• meça a distância entre os pontos no sensor de imagem (conte os pixels entre os pontos da foto e calcule a distância do sensor da resolução e tamanho do sensor)
• distância focal = distância no sensor em mm / ângulo em graus * (180 / pi)

Fontes:

• http://en.wikipedia.org/wiki/Telephoto_lens
• http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_centre
• http://en.wikipedia.org/wiki/Focal_length
• http://en.wikipedia.org/wiki/Ang%C3%A9nieux_retrofocus
• http://www.bobatkins.com/photography/technical/measuring_focal_length.html

Imagens: Lente olho de peixe da B&H, outras imagens são cortesia da Wikipedia.

A Wikipedia dá a resposta ...

"Quando uma lente fotográfica é definida como" infinito ", seu ponto nodal traseiro é separado do sensor ou filme, no plano focal, pela distância focal da lente".

O que leva à pergunta ... O que é um ponto nodal? Também respondida pela Wikipedia como:

"Os pontos nodais dianteiro e traseiro têm a propriedade de que um raio apontado para um deles será refratado pela lente, de modo que pareça ter vindo do outro, e com o mesmo ângulo em relação ao eixo óptico".

Com uma estrutura complexa que é uma lente de câmera moderna, o ponto nodal traseiro nem sempre estará no mesmo lugar; portanto, a questão da exatidão dependerá da lente.

Para expandir o ponto Nodal:

Definição simples: está no centro da lente de menisco de elemento único equivalente que possui a mesma distância focal e abertura que a lente composta em teste.

O aspecto mais prático do ponto nodal de uma lente é que é o ponto em torno do qual a lente pode ser girada sem produzir nenhum movimento na imagem. Para uma lente simples de um elemento, o nó está no centro da lente; para um sistema óptico dobrado, como um telescópio Schmidt-Cassegrain, o nó está bem na frente da lente.

É um pouco complicado fazer um teste físico para encontrar o ponto nodal de uma lente. Vou tentar explicá-lo sem recursos visuais:

Considere uma montagem de tripé. O eixo vertical de rotação da cabeça do tripé será o local onde colocaremos o nó da lente. Para fazer isso, a lente deve ser montada em uma placa que permita variar sua distância do eixo do tripé. Além disso, a imagem deve ser projetada em uma tela não conectada à lente (para que o corpo da câmera não possa ser usado!). Procuramos a combinação da posição da tela e da configuração do controle deslizante, em que a cabeça do tripé pode ser girada e o único efeito na imagem é vinheta à medida que o eixo óptico da lente se move para dentro / fora de estar alinhado com a tela.

Uma implicação prática real entra em jogo quando você está tirando fotos panorâmicas. Para que haja a menor distorção entre as imagens - e, portanto, melhor costura ou rastreamento - a câmera deve ser girada em torno de seu ponto nodal. Portanto, colocar sua câmera de bolso - ou mesmo sua DSLR profissional sofisticada - diretamente no tripé, usando o ponto de montagem do corpo, significa que você está girando em algum lugar entre o ponto nodal e o plano da imagem, exceto possivelmente com algumas lentes grande angulares.

De um modo geral, para uma lente aparente de 1: 1 fov (50 mm em um captador de imagem em tamanho real ou em um corpo de filme de 35 mm), o nó estará em algum lugar próximo ao meio da lente. Para uma lente zoom com zoom total, é provável que ela esteja na frente e, para uma grande angular, ela estará em algum lugar atrás do centro da lente. Qualquer que seja o uso, o nó estará na distância focal declarada na frente do gerador de imagens da câmera.

(esse foi o assunto de um dos meus laboratórios de física mais intensos na época, então, mesmo que eu tenha conseguido um A, há um intervalo de 45 anos entre as memórias de vez em quando, mas acho que ainda tenho os detalhes gerais) .