Como as lentes zoom restringem sua abertura mais larga na extremidade telefoto?

O anel de abertura trava as aberturas além, digamos 5,6 na extremidade telefoto da lente? A lente introduz um obstáculo ao anel de abertura para que a lente não possa mais ser aberta além da abertura na extremidade telefoto?

E por que as lentes se comportam assim, afinal? Por que eles não têm aberturas constantes em todo o alcance focal?

A pupila de entrada é limitada pelo diâmetro do elemento frontal, e é isso que normalmente restringe a abertura máxima das lentes de zoom telefoto - não o tamanho físico do diafragma de abertura.

O tamanho físico do diafragma é apenas parte do que determina a abertura máxima, expressa como um número f, de uma lente. A ampliação entre a frente da lente e a localização do diafragma também desempenha um papel. O número f de uma abertura é determinado pela razão da distância focal da lente dividida pelo diâmetro da pupila de entrada , geralmente chamada de abertura efetiva. Em linguagem simples, o diâmetro da pupila de entrada é definido pela largura da abertura do diafragma quando vista pela frente da lente .

Quando as lentes de zoom de abertura constante são movidas para alterar a distância focal, a ampliação entre a frente da lente e o diafragma é o que normalmente muda, não o tamanho físico do diafragma. A mudança na ampliação é o que permite à pupila de entrada parecer maior em distâncias focais mais longas e menor em distâncias focais mais curtas. Uma lente 70-200mm f / 2.8 tem uma pupila de entrada com 25mm de diâmetro a 70mm ef / 2.8. A 200mm, a pupila de entrada em f / 2.8 tem um pouco mais de 71mm de largura. O diafragma físico real é do mesmo tamanho nos dois casos. O que mudou foi a quantidade de ampliação entre o conjunto do diafragma e a frente da lente.

Observe que esse mesmo princípio também costuma ser usado com lentes de zoom de abertura variável. Pegue, por exemplo, uma lente zoom 18-300mm f / 3.5-5.6. Aos 18 mm, a pupila de entrada para f / 3.5 tem aproximadamente 5,14 mm de largura. A 300 mm, a pupila de entrada para f / 5.6 é mais de dez vezes a 53.6 mm de largura. Observe que a maioria das lentes com zoom máximo de 300 mm e f / 5.6 possui elementos frontais ligeiramente maiores que 54 mm de diâmetro. O tamanho necessário da pupila de entrada é o motivo! Se a pupila de entrada em 300 mm ainda tivesse 5,14 mm de largura, como está em 18 mm ef / 3,5, a abertura máxima em 300 mm seria f / 58!

Então, por que nem todas as lentes de zoom usam ampliação suficiente para permanecer com abertura constante em toda a faixa de zoom? Principalmente o custo associado ao tamanho, peso e complexidade adicionais necessários para produzir uma lente de abertura constante.

Uma pupila de entrada não pode ser muito maior que o diâmetro do elemento frontal da lente para uma lente com um ângulo de visão estreito. A 200 mm, uma abertura f / 5.6 requer uma pupila de entrada com quase 36 mm de diâmetro. A maioria das lentes intercambiáveis ​​atuais tem pelo menos esse diâmetro, uma vez que os flanges de montagem na maioria das câmeras de lentes intercambiáveis ​​contemporâneas têm diâmetros de aproximadamente 42 a 54 milímetros. (Observe que estamos falando sobre a largura do furo no flange de montagem, não a distância do flange de montagem na frente do plano do sensor / filme, que é chamado de distância de registro.) Por outro lado, a 200 mm e A abertura f / 2.8 requer uma pupila de entrada com aproximadamente 71,4 mm de largura. Isso requer que a lente tenha um diâmetro significativamente maior que o orifício no flange de montagem.

Não apenas o barril da lente e todas as partes da lente que circundam o caminho óptico precisam ser maiores e, portanto, exigem maiores quantidades de matéria-prima da qual são feitas, mas os elementos ópticos reais também devem ser maiores em diâmetro e mais espessa para manter os mesmos ângulos de refração. Os elementos de lente maiores também apresentam mais aberrações que precisam de correção. Muitas vezes, os materiais mais caros de uma lente são aqueles usados ​​para fabricar esses elementos ópticos corretivos. A adição de elementos para corrigir coisas como a aberração cromática pode introduzir problemas adicionais, como distorção geométrica, que exigem ainda mais elementos adicionais para a correção. Portanto, não apenas a lente inteira e muitos dos elementos ópticos internos precisam ser maiores, mas também exige mais componentes ópticos feitos de materiais mais caros.

Para a maioria das pessoas, a menos que eles realmente precisem dessa abertura maior, carregariam logo uma lente menor e mais leve, pela qual pagariam muito menos.

A qualidade de uma lente zoom moderna é excelente, considerando todos os problemas de fabricação encontrados. O fabricante não adoraria nada melhor do que manter a abertura máxima constante durante todo o zoom. Isso é mais fácil dizer do que fazer.

O número f é uma razão. Matematicamente, dividimos a distância focal pelo diâmetro da abertura de trabalho para calcular o número f. Precisamos que esse valor seja uma proporção, porque uma proporção é adimensional. Em outras palavras, uma lente f / 4 passa a mesma energia luminosa para filme ou sensor, independentemente das dimensões da lente. Como exemplo, uma lente de 100 mm com uma abertura de 25 mm de diâmetro funciona em f / 4. Esse chicote oferece o mesmo brilho de imagem que um sistema de telescópio astronômico com uma distância focal de 4000 mm e uma abertura de trabalho de 1000 mm. Ambos expõem a mesma vista da mesma forma.

Precisamos do sistema f-number porque tira o caos. Qualquer lente configurada com o mesmo número f que qualquer outra lente oferece o mesmo brilho da imagem. Isso ocorre porque a distância focal e o diâmetro da abertura estão entrelaçados. À medida que você aumenta o zoom para ampliações cada vez maiores, a imagem diminui. Pense em mover um projetor cada vez mais longe de uma parede branca. Quando você afasta o projetor da parede, a imagem projetada na parede aumenta e, como a luz deve cobrir mais área da superfície, a imagem fica mais fraca. O mesmo com uma lente de zoom.

De alguma forma, o fabricante da lente deve compensar ou um número f constante não pode ser mantido ao longo do zoom. A maioria dos zooms não pode manter um número f constante. Torna-se muito caro fazer e as vendas serão perdidas porque você se colocou fora do mercado.

Como manter um número f constante em todo o zoom? O diafragma da íris é colocado atrás do grupo de lentes em movimento. O grupo da frente age como uma lente de aumento para fazer com que o diâmetro aparente da íris pareça maior, visto de frente. Esse posicionamento permite que cada vez mais luz transite pela íris à medida que a lente aumenta para ampliações cada vez mais altas. Tal posicionamento e ação dos elementos da lente frontal induzem distorções e aberrações que devem ser corrigidas. Essa correção requer elementos complexos da lente que devem se mover com precisão. Isso aumenta o custo. A linha inferior é um zoom de abertura constante é muito caro de fazer.

Se uma lente de zoom é uma abertura constante ou uma abertura variável, primeiro tem a ver com o design, depois tem a ver com fatores mecânicos, como abrir ou fechar um diafragma.

Uma lente de zoom funciona ao mover alguns elementos para alterar a distância focal. Isso funciona devido à equação da distância focal de uma lente espessa:

(1) Phi = phi_1 + phi_2 - (t / n) * phi_1 * phi_2

(2) EFL = 1 / Phi

Onde Phi é a potência óptica total da lente espessa, phi_1 e phi_2 são a potência óptica da primeira e da segunda superfície, t é a espessura entre elas e n é o índice de refração da lente. EFL significa distância focal efetiva e é o que se refere coloquialmente ao dizer distância focal.

Qualquer sistema óptico contendo qualquer número de elementos pode ser modelado com precisão como uma única lente fina. Essa equação também funciona para lentes finas, mas o termo t / n desaparece, como t = 0. Uma lente de 50 mm f / 1.8 pode ser modelada como uma única lente fina de distância focal de 50 mm, assim como uma lente de 18-300 mm configurada para 50 mm.

Você também pode usar esta fórmula para modelar 2 lentes finas. Desde que as lentes sejam positivas, você pode ver que, afastando-as, o termo t / n aumentará. À medida que cresce, a potência diminui e a distância focal aumenta.

Essa é a essência de uma lente zoom.

Assim que você introduz uma parada de abertura em um sistema óptico, você tem o que chamamos de pupilas de entrada e saída . A pupila de entrada é a imagem da parada de abertura formada pelos elementos à sua frente e a pupila de saída é a imagem da parada de abertura formada pelos elementos atrás dela.

As pupilas têm uma posição e tamanho exatamente como um elemento de lente ou a abertura real se interrompe. O f / # de uma lente pode ser aproximado por

(3) f / # = EFL / EPD

Onde f / # é a 'razão focal', EFL é a distância focal efetiva e EPD é o diâmetro da pupila de entrada.

Vamos colocar uma parada de abertura no meio de duas lentes finas separadas pelo ar. Se aumentarmos o EFL do sistema de lentes movendo a lente para frente, o EPD mudará com ele. Se aumentarmos o EFL da lente movendo a lente para trás, o EPD não mudará com ela, pois essa lente não afeta a pupila de entrada de forma alguma.

Ocorre que, a menos que você faça uma faixa de zoom extremamente grande, a ampliação da parada de abertura responsável pelo EPD aumenta na mesma taxa que a distância focal. Como o numerador e o denominador de (3) mudaram na mesma quantidade relativa, a proporção ainda é a mesma e, portanto, nossa lente pode ter se movido de 70 mm para 200 mm e mantida uma abertura de f / 4.

Se movêssemos a lente na parte de trás, a lente diminuiria para cerca de f / 10, aproximando-a de 70 a 200 mm.

Uma lente zoom moderna possui 3 ou 4 grupos de zoom, por isso é mais complicada do que esta simples explicação. Se todos eles estiverem na frente da parada de abertura, isso ainda é verdade. Se a maioria deles estiver na frente da parada de abertura, a manufatura tenderá a programar o diafragma para abrir / fechar enquanto a lente faz zoom e apenas elimina o espaço para fazê-lo se comportar como uma lente de abertura constante.

Você pode se perguntar por que não colocar todos os grupos na frente da parada e terminar com isso - há duas motivações principais:

1) Se você forçar todo o zoom na frente da parada de abertura, a lente será necessariamente mais longa do que se pudesse aplicar zoom nos dois lados.

2) É mais fácil projetar uma lente bem corrigida se você puder alterar a posição dos elementos nos dois lados.