Por que as lentes não são projetadas com aberturas extra grandes para foco automático além do que é usado para geração de imagens?

Historicamente, o design de lentes de grande abertura tem sido difícil, porque a correção das aberrações ópticas que surgem de grandes aberturas requer projetos complexos e quantidades muito grandes de vidro. Teoricamente, se alguém não se importasse com aberrações, seria fácil projetar uma lente com quase qualquer abertura arbitrária. Nesse caso, a única diferença entre, digamos, um design de f / 1.4 e f / 4 seria o tamanho físico da abertura e, portanto, do elemento frontal.

Dado que esse é o caso, deve ser relativamente trivial projetar uma lente que sempre parava em uma abertura aceitável para capturar imagens, mas permanecia em um pequeno f-stop ao focalizar. Por exemplo, se tivéssemos uma lente hipotética de 200 mm f / 4, a lente tiraria apenas imagens em f / 4 ou aberturas mais estreitas, mas poderia focar em, por exemplo, f / 2.8 ou até f / 2.

A quantidade adicional de vidro em um projeto desse tipo precisa ser apenas o suficiente para corrigir as aberrações ópticas, para obter foco suficientemente preciso e permitir a entrada de luz suficiente, permitindo economizar peso e material e, portanto, reduzir o preço. O design deve, na melhor das hipóteses, ser essencialmente idêntico a uma lente com a mesma abertura "verdadeira" que a abertura de "tomada de foto" da lente hipotética, além do elemento frontal maior.

Estou me referindo especificamente a designs de lentes que não exibem mudança significativa de foco ao parar. Obviamente, os designs de lentes que possuem abberações esféricas suficientes para que isso se torne um problema não podem ser projetados dessa maneira.

Esse design beneficiaria as lentes em todas as faixas de preço, uma vez que permitiria fazer zooms de foco mais rápido a preços apenas um pouco mais altos, mas também criar tele-fotos extremas premium de foco rápido (como uma lente de 800 mm que foca em f / 4, mas atira em f / 5.6).

Existe uma razão técnica ou comercial para que esses projetos não sejam amplamente utilizados?

O principal fator de custo em uma lente não é a correção de aberrações, embora a correção de aberrações aumente o custo de uma lente e possa ser um fator mais significativo em lentes de ângulo mais amplo. De um modo geral, o custo principal de uma lente é o "vidro". Coloquei vidro entre aspas, porque às vezes são outros materiais, como fluorita ou grade de difração ou dispersão de partículas difrativa, no entanto, elementos avançados de lente geralmente custam MAIS.

Você não pode obter uma abertura especificada sem a ampliação apropriada das duas extremidades da lente para que a abertura pareça ter o tamanho correto . A noção de uma "abertura física" é geralmente um nome impróprio. O que chamamos de abertura de uma lente, o que é freqüentemente chamado de abertura física, é corretamente denominado aluno de entrada . A pupila de entrada é a abertura observada pela frente da lente a uma distância do "infinito" (ou, em outras palavras, uma distância suficientemente grande para que a observação seja de luz colimada.) A pupila de entrada de uma lente de 600 mm com uma A abertura relativa de f / 4 deve ser de 150 mm, conforme observado pela parte frontal da lente. Para alcançar essa ampliação, duas coisas devem ser:

1. Os elementos corretos da lente, cada um com a ampliação correta, devem ser usados ​​para alcançar essa ampliação.
2. O elemento dianteiro deve ter pelo menos 150 mm de diâmetro.

Pense nisso por um momento ... um elemento de lente frontal de 150 mm de diâmetro. Tem 6 "de diâmetro, cerca de uma largura de mão. Isso é ENORME. Além disso, a metade da frente do barril até o diafragma é apenas ligeiramente afunilada e há vários elementos adicionais da lente que devem ser usados ​​em além do elemento frontal para atingir o ponto 1 e corrigir aberrações. Portanto, você tem um número de elementos de lente de 4 "a 6" na metade frontal do barril, em cima de todos os elementos de lente atrás do diafragma para projete adequadamente uma imagem retilínea no sensor, cada uma com um diâmetro de uma polegada a várias polegadas.

Substituir um elemento asférico que corrige aberrações por um elemento esférico que provavelmente não reduzirá o custo, mas não em uma quantidade particularmente significativa, a menos que falemos de distâncias focais muito curtas, são zooms de grande angular (onde o custo das correções de aberrações tende a ser um fator de custo mais significativo, pois a quantidade total de vidro é muito menor do que em distâncias focais mais longas.) Independentemente do tipo de lente, no entanto, geralmente a maior parte do custo é o elemento frontal, talvez o par frontal de elementos.

Mesmo em uma lente grande angular, o elemento frontal geralmente é muitas vezes maior que o necessário para obter a pupila de entrada correta, apenas neste caso é necessário dobrar a luz de um ângulo suficientemente amplo, em vez de reunir a quantidade necessária de luz . Em uma lente grande angular, o elemento frontal pode ser muitas vezes o volume total de qualquer outro elemento de lente única. Custos de vidro.

Como você declara, a quantidade de vidro adicional precisa apenas o suficiente para permitir uma abertura maior. Lembre-se de que cada parada na abertura é um fator de duas alterações na área da abertura. Se você possui uma lente de 600 mm f / 5.6, a abertura é de 107 mm ou ~ 11.500 mm ^ 2. Se você deseja fazer uma lente de 600 mm f / 4, mesmo que não se preocupe em corrigir aberrações, é uma abertura de 150 mm ... ou 22.500 mm ^ 2 !! Você dobrou a área mínima necessária para suportar a abertura e provavelmente mais que dobrou o volume (elementos maiores geralmente também são mais espessos, portanto, o aumento total no volumepode mais que dobrar). E isso é apenas para o elemento da frente ... ainda existem cerca de 12 a 18! A quantidade de vidro, em termos de volume, necessária apenas para ser suficiente para suportar a abertura maior, é mais do que o dobro do necessário para a próxima parada. Não subestime esse custo.

Como outros já mencionaram, muitas lentes já fazem exatamente o que você teorizou: permita que o QI sofra na abertura máxima, exigindo que a lente seja interrompida em até uma parada ou mais para obter o máximo potencial de nitidez. De um modo geral, as lentes de grau consumidor mais baratas fazem isso, geralmente como resultado de vários fatores (vidro mais barato, processo de fabricação mais simples e totalmente automatizado, montagem automatizada etc.)

A única razão principal pela qual lentes mais baratas são mais baratas, no entanto ... são as aberturas máximas menores. A maioria das lentes de grau consumidor, assim como a maioria das lentes de terceiros, usa aberturas máximas menores. A maioria dos zooms de grande angular e telefoto de qualidade profissional atinge o máximo em f / 3.5, geralmente não constante, portanto f / 3.5-5.6. Muitos zoom telefoto de terceiros começam em f / 5.6, enquanto os nomes de marcas começam em f / 4, e os zoom de telefoto de terceiros costumam usar f / 5.6-6.3 enquanto os zoom de telefoto de marca geralmente oferecem f / 4 ou até f / 2.8 abertura constante. A abertura máxima é o principal fator de custo, pois explicita o volume total de vidro necessário.

Os elementos corretivos da lente projetados para reduzir as aberrações, como elementos asféricos, elementos fluoretados, elementos difrativos, elementos de dispersão ultra baixa, etc., todos aumentam o custo, no entanto, criar novamente um grande elemento fluorite de 5 "para uma lente telefoto f / 4 é consideravelmente mais caro do que fabricar um elemento de fluorita de 3 "para uma lente telefoto f / 5.6. Novamente ... toda mudança de parada na abertura é um fator de duas mudanças de área e uma mudança ainda maior no volume total de vidro.

Há uma pequena falha minúscula no plano: as aberrações (em particular, mas não exclusivamente, a esférica) são o principal culpado pelo fenômeno da mudança de foco. Essencialmente, isso significa que sua "lente de foco" não terá exatamente a mesma distância focal da sua "lente de captura", para que as imagens focalizadas com perfeição na abertura maior fiquem desfocadas em aberturas menores (pelo menos até a profundidade de campo cresce o suficiente para cobrir / mascarar a diferença).

Existem maneiras de contornar o problema, é claro. Hasselblad mapeia as mudanças de foco conhecidas de suas lentes em várias aberturas como parte de seu sistema True Focus. Mas para chegar lá e fazê-lo de forma confiável, foi necessário que o Hasselblad fechasse o sistema. (Além de casar com corpos e costas. Não se preocupe muito com isso; o sistema permite uma sociedade complexa de polígamos / troca de parceiros, desde que todas as conexões sejam devidamente abençoadas na fábrica.) no mundo das câmeras DSLRs no formato APS-C / 135 e câmeras EVIL / MILC, isso significaria que o novo tipo de lente funcionaria apenas em novos corpos e que os corpos teriam que "conhecer" as características das lentes usando essa estratégia. E isso significaria tolerâncias ainda mais rigorosas do que as permitidas atualmente (e precisamos de ajustes de microfoco para torná- lostrabalhe em um nível alto) para que a mudança de foco prevista e a mudança de foco real correspondam bem.

Assim, você economiza um pouco de dinheiro em uma parte da lente (o vidro), tornando o restante da lente e o corpo da câmera mais caros. E você precisa explicar às pessoas por que as lentes obviamente f / 1.2 são realmente apenas f / 2.8s, o que exigiria um pouco de marketing. E você provavelmente cortaria o suprimento de sangue de terceiros. Isso pode ser bom se você for Hasselblad, simplificando o que foi uma experiência de Frankenstein (é realmente o único MF digital de volta intercambiável que não parece partes aleatórias reunidas no momento), está em um mercado limitado e rarefeito, e só tem um concorrente. É um risco enorme, com muitas desvantagens potenciais no mercado de "commodities".

Você provavelmente já ouviu pessoas descreverem algumas lentes como "inutilmente macias, bem abertas, mas aceitáveis ​​em f / 2.8 e excelentes em f / 4" ou similar. Isso ocorre porque, basicamente, essas lentes já foram projetadas da maneira que você sugere, embora limitadas por tamanho, peso, complexidade, custo e outros fatores de design. E também permitem que você use a lente em aberturas mais amplas, se realmente quiser tirar uma foto dessa maneira, como uma espécie de bônus.

Além do problema básico da mudança de foco, mais lentes não fazem isso de uma maneira ainda mais extrema, porque no mundo real esses outros fatores são muito significativos - e, geralmente, mais importantes que esse benefício. Aumentar a abertura máxima, mesmo sem considerar a qualidade da imagem, exige que a lente seja maior, mais pesada e mais cara, apenas porque o vidro é tudo isso. Poucas pessoas gostariam de fazer essas trocas em troca de um foco automático um pouco melhor.

O vidro extra em uma lente rápida não existe apenas para corrigir aberrações. A abertura total deve ser visível em todo o campo de visão, significando para lentes moderadas ou amplas; você não pode apenas aumentar a abertura, mas também todos os elementos à frente da abertura.

Mas sua ideia é mais ou menos eficaz com lentes de grande formato. Muitas dessas lentes são f / 5.6, mas isso é apenas para provar uma imagem brilhante o suficiente para focalizar usando o vidro fosco, você fotografaria nessa abertura devido a problemas de profundidade de campo, canto e nitidez.