Como funcionam as lentes de zoom de abertura constante?

As lentes com zoom mais barato geralmente são mais rápidas na extremidade ampla e mais lenta na extremidade longa (por exemplo, a Canon EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6) de US $ 150. As lentes de zoom de abertura constante mais caras têm a mesma abertura independentemente (por exemplo, Canon EF 17-40mm f / 4.0 L de US $ 800).

Minha pergunta é: essas boas lentes são ensacadas nas configurações mais amplas ou possuem um sistema óptico diferente que lhes permite manter a mesma abertura em toda a faixa de zoom?

Infelizmente, as outras respostas não fazem mais do que sugerir a motivação que pode estar envolvida na escolha de projetar uma ou outra. Nenhum deles realmente sugere como os zooms de abertura fixa e variável realmente diferem.

Não é realmente uma diferença bastante fundamental no projeto. O diafragma (a parte que forma a abertura) em quase todas as lentes está em algum lugar no meio da lente. Em um zoom de abertura fixa, apenas os elementos atrás do diafragma se movimentam para fazer o zoom. Em um zoom de abertura variável, os elementos atrás e à frente da abertura se movimentam para fazer o zoom.

Pelo menos no caso usual, o diâmetro da abertura não muda à medida que você aumenta o zoom. Isso é fácil de verificar - tire fotos com diferentes taxas de zoom e abertura máxima com alguns destaques fora de foco. Pelo menos com sua lente zoom típica, os destaques fora de foco permanecerão redondos em todas as distâncias focais, indicando que a abertura permanece totalmente aberta (onde é redonda). Pare a lente algumas paradas e você começará a ver o formato das lâminas da abertura se fechando (embora as lentes com muitas lâminas, especialmente as arredondadas, reterão os destaques de aparência quase redonda um pouco mais do que outros).

Quando / se os elementos à frente da abertura se movimentam durante o zoom, você está alterando a distância focal (efetiva) dessa parte da lente. Você está transmitindo luz através de uma abertura de diâmetro fixo, ou seja, as mudanças (efetivas) f / stop. Como é afetada apenas pela alteração na distância focal efetiva dos elementos na frente do diafragma, a alteração (geralmente) não se correlaciona exatamente com a alteração na distância focal efetiva geral - mover os elementos atrás do diafragma altera a focal focal efetiva comprimento sem alterar a abertura efetiva (por exemplo, a minha 28-135 possui uma faixa de zoom de quase 5: 1, mas a abertura muda apenas de f / 4.0 para f / 4.5).

Eles têm ópticas diferentes e geralmente são lentes substancialmente maiores para a mesma faixa focal (compare uma 70-200mm f / 2.8 a uma 70-300mm f / 4.5-5.6 e veja que a última é pequena em comparação). Para obter a abertura constante no final longo, você precisa ter um barril maior, porque a abertura é uma proporção versus a distância focal. No entanto, se você fizer as contas para seus exemplos:

18mm f / 3.5 significa uma abertura de 5.14mm 55mm f / 5.6 significa uma abertura de 9.82mm

17mm f / 4.0 significa uma abertura de 4.25mm 40mm f / 4.0 significa uma abertura de 10mm

É claro que o diâmetro físico da abertura pode ser maior nos dois casos. Portanto, em ambos os casos, você teorizaria que, no extremo mais amplo, seria capaz de f / 2.0 ou algo parecido, e seu cenário de sacos de areia se aplicaria a ambos. Por outro lado, para o último, a óptica pode ser simplificada e, portanto, aproximando-se da qualidade primordial. Então ... tradeoffs.

De qualquer forma, os zooms têm uma construção bastante complexa, muito mais do que uma lente principal teria, e há muitas considerações em torno da correção óptica em várias distâncias focais, o efeito da abertura nessa correção e assim por diante. Pode ser, dado o design da lente e os custos associados, que tentar ficar mais amplo no final curto resultaria em uma suavidade extremamente inaceitável na imagem ou em algumas outras formas de aberração.

Finalmente, por certo, existem diferentes construções ópticas entre os dois. Heck, existem diferentes construções ópticas entre lentes da mesma configuração, mas diferentes fabricantes. Tudo se resume ao custo versus benefício e, no final, a que preço o mercado arcará com as lentes de uma determinada construção.

Simplificando, a proporção f / 4.0 significa que o tamanho efetivo da abertura é a distância focal dividida por 4 - para uma 600mm f / 4.0, isso não significa que existe literalmente um orifício de 150mm onde estão as lâminas da abertura, apenas que a lente comporta-se como se houvesse. (se você observar o design da Canon 600 f / 4.0, fica claro que não há espaço para uma abertura de 150 mm no meio da lente).

Esse é o princípio por trás das lentes de abertura constante, o tamanho da abertura virtual muda em toda a faixa de zoom, apesar do rosto a abertura física permanecer claramente do mesmo tamanho.

Todos os zooms alteram o tamanho da abertura virtual ou efetiva durante o zoom, "abertura constante" (relação f realmente constante) simplesmente altera a abertura o suficiente para manter a mesma relação entre abertura e distância focal. O design das lentes de "abertura constante" não é radicalmente diferente, apenas o grau em que a abertura aparente muda.

Para roubar os números da resposta de John (para salvá-los novamente), o tamanho das aberturas virtuais para as duas lentes mencionadas é:

Canon EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 5.14mm @ 18mm - 9.82mm @ 55mm

Canon EF 17-40mm f / 4.0 4.25mm @ 17mm - 10mm @ 40mm

Se a óptica da 18-55 fizesse a abertura virtual 15 mm na extremidade longa, seria uma lente de abertura constante (@ f / 3.5), isso seria muito caro, no entanto, devido à [relativamente] faixa de zoom grande, e é por isso que uma lente barata permanece f / 5.6

Não há sacos de areia na lente de abertura constante; na extremidade grande a lente está se esforçando o máximo que pode, é só que ela foi projetada para se comportar mais rapidamente na extremidade longa!

Minha pergunta é: essas boas lentes são ensacadas nas configurações mais amplas ou possuem um sistema óptico diferente que lhes permite manter a mesma abertura em toda a faixa de zoom?

Lembre-se de que, ao usar um número f para representar a abertura, ele é expresso como uma fração da distância focal; assim, ao aumentar o zoom, o mesmo diâmetro efetivo da abertura é representado como um número diferente. f / 2.8 a 20mm é metade do diâmetro efetivo da abertura de f / 2.8 a 40mm. Portanto, seu zoom de abertura constante não está "mantendo a mesma abertura em toda a faixa de zoom" como tal. De fato, um zoom 18-55 que mantém o mesmo diâmetro efetivo da abertura em toda a faixa de zoom seria algo como f / 3.5-10.7.

Portanto, nenhum tipo de lente de zoom realmente mantém o mesmo diâmetro efetivo de abertura. Observe que o diâmetro efetivo também não é necessariamente o diâmetro real do anel de abertura, pois parte do efeito do zoom é que o próprio anel de abertura é ampliado. Mas o diâmetro efetivo é o que é relevante .

Os projetistas de lentes lutam para resolver uma série de problemas, incluindo aberrações cromáticas, distorção, nitidez e vinhetas. Com uma lente zoom, isso é ainda mais difícil, porque eles precisam resolver esses problemas não apenas em uma única distância focal, mas em toda a faixa de zoom. No entanto, todo o design da lente faz concessões simplesmente porque existem muitas forças opostas. Para uma lente de zoom, os projetistas de lentes decidem com qual abertura eles podem sair a cada distância focal na faixa de zoom, sem muito amolecimento ou outros problemas, como vinhetas.

É desejável que uma lente zoom tenha um diâmetro efetivo de abertura muito maior na extremidade telefoto do que na extremidade larga, porque, à medida que a imagem é ampliada, você precisa de mais luz para que a mesma quantidade caia no sensor / filme. Ou seja, você precisa que ele seja muito mais amplo apenas para atingir o mesmo número f.

Os zooms mais baratos geralmente comprometem mais a velocidade na extremidade tele do que os mais caros.

Zoom de abertura constante como a Canon EF 17-40mm f / 4.0 L que você mencionou faz um compromisso diferente; eles se esforçam muito para obter uma abertura efetiva mais ampla na extremidade telefoto. Como resultado, porém, eles usam mais vidro e criam uma lente mais pesada. Como tudo também é um compromisso, eles não querem que se esforce para obter uma abertura maior na extremidade telefoto para aumentar a suavidade ou vinhetas na extremidade ampla, de modo que limita a abertura máxima da extremidade ampla. Assim, você obtém um equilíbrio diferente de tamanhos de abertura em comparação com a "variável" mais barata e mais leve (na verdade, na verdade, menos variação em termos de diâmetro real da abertura) zoom de abertura e tudo o que realmente depende é de que tipo de trade-offs foram feitos. o design da lente.

É uma questão de ter a combinação correta de elementos concavados e convexos para reduzir a perda de luz em todo o alcance do zoom. Embora o f / 4.0 possa parecer que você está sendo enganado na abertura mais rápida, é mais o resultado de obter uma imagem tão nítida sem aberração cromática, mantendo um tempo e iluminação consistentes em todo o zoom e alcance focal.

A Canon tem uma literatura muito boa explicando tudo isso, além de como a Difração óptica está sendo usada em algumas de suas lentes mais recentes para combater todas as desvantagens anteriores da óptica regular. Vou publicá-lo assim que o encontrar novamente.

Eu concordo com a avaliação do user86418 de que a resposta de Jerry Coffin tem esse retrocesso, embora ele por sua vez pareça ter confluído a abertura numérica com ƒ / número.

Citando outdoorphotographer.com

Em um zoom de abertura variável ... os elementos na frente e atrás do diafragma se movem (e o próprio diafragma se move), para que a pupila de entrada não varie na proporção da ampliação e o número ƒ muda à medida que você aumenta o zoom. lente. (Nota: alguns zooms também podem alterar o diâmetro físico da abertura durante o zoom.)

Existem várias “fórmulas” para lentes de zoom, mas basicamente uma sala de televisão muda a ampliação (distância focal) movendo elementos à frente do diafragma de abertura.

O site de Pierre Toscani fornece diagramas ópticos detalhados de um zoom de abertura constante:

Engraçado, a resposta (atualmente) aceita errou completamente. Ou isso, ou sua terminologia de "antes da abertura" e "por trás da abertura" é vista do lado do sensor (o que não faria muito sentido) e não da lente frontal.

A pupila de entrada, a imagem da abertura da abertura como vista pela lente frontal, tem um diâmetro proporcional à distância focal ao aplicar zoom com abertura numérica constante (que é o trabalho dos fotógrafos e que geralmente corresponde ao tamanho da abertura da abertura física) lâminas). Obviamente, essa alteração no tamanho aparente requer uma alteração nos elementos da lente entre a abertura e a lente frontal. Essa alteração será suficiente para afetar a alteração desejada na distância focal em constantes numéricasabertura em desenhos simples; no entanto, uma lente zoom moderna contém muito mais elementos do que apenas os responsáveis ​​pela determinação da distância focal: muitos elementos corretivos também estão envolvidos. Se algum dos grupos de trás se move além dos grupos da frente, é uma questão da receita óptica exata.