Почему объективы не разработаны с очень большой диафрагмой для автофокусировки по сравнению с тем, что используется для получения изображений?

Question

Исторически сложилось, что проектирование линз с большой апертурой было трудным, потому что для исправления оптических аберраций, возникающих при больших апертурах, требуются сложные конструкции и очень большое количество стекла. Теоретически, если не заботиться об аберрациях, было бы легко спроектировать объектив с почти любой произвольной апертурой. В таком случае единственной разницей между, скажем, дизайном f / 1.4 и f / 4 будет физический размер апертуры и, следовательно, переднего элемента.

Учитывая это, проектирование объектива, который всегда останавливался до приемлемой апертуры для съемки изображений, но оставался на небольшой диафрагме при фокусировке, должно быть относительно тривиальным. Например, если бы мы взяли гипотетический объектив 200 мм f / 4, объектив получал бы изображения только с диафрагмой f / 4 или более узкой апертурой, но он мог бы фокусироваться, скажем, на f / 2,8 или даже f / 2.

Дополнительное количество стекла в такой конструкции должно составлять всего , достаточное для коррекции оптических аберраций для достижения достаточно точной фокусировки и достаточного количества света, что позволяет сэкономить вес и материал. и, следовательно, сократить цену. Конструкция должна, в лучшем случае, быть по существу идентичной объективу с такой же «истинной» апертурой, что и «фотографическая» апертура гипотетической линзы, за исключением большего переднего элемента.

Я имею в виду, в частности, конструкции линз, которые не проявляют значительного смещения фокуса при остановке. Очевидно, что конструкции линз, которые имеют достаточную сферическую аберрацию, чтобы это могло стать проблемой, не могут быть разработаны таким образом.

Такой дизайн выиграл бы от объективов во всех ценовых диапазонах, поскольку он позволял бы делать быстро фокусирующиеся потребительские зумы только по несколько более высоким ценам, но также делал быструю фокусировку с экстремальными телефото премиум-класса (например, объектив с фокусным расстоянием 800 мм в f / 4, но стреляет в f / 5.6).

Есть ли техническая или коммерческая причина, почему такие конструкции не получили широкого распространения?

Answer 1

Фундаментальный фактор стоимости объектива - это не коррекция аберраций, хотя коррекция аберраций действительно увеличивает стоимость объектива и может быть более существенным фактором в широкоугольных объективах. Вообще говоря, основная стоимость линзы - это «стекло». Я помещаю стекло в кавычки, потому что иногда это другие материалы, такие как флюорит или дифракционная решетка или дисперсия дифракционных частиц, однако усовершенствованные линзовые элементы обычно стоят БОЛЬШЕ.

Невозможно достичь указанной диафрагмы без соответствующего увеличения с обоих концов объектива для этой диафрагмы до , который выглядит как правильный размер . Понятие «физической апертуры» обычно неверно. То, что мы называем апертурой линзы, которую часто называют физической апертурой, правильно называют входным зрачком . Входной зрачок - это апертура, наблюдаемая через переднюю часть объектива на расстоянии «бесконечности» (или, другими словами, на достаточно большом расстоянии, на котором можно наблюдать коллимированный свет.) Входной зрачок объектива 600 мм с f / 4 относительная диафрагма должна быть 150 мм, если смотреть через переднюю часть объектива. Чтобы достичь этого увеличения, две вещи должны быть:

1. Для достижения этого увеличения необходимо использовать правые линзовые элементы, каждый с правильным увеличением.
2. Передний элемент должен быть диаметром не менее 150 мм.

Подумайте об этом ... элемент передней линзы диаметром 150 мм. Это 6 "в диаметре, примерно на ширину руки. Это ОГРОМНО. Вдобавок к этому передняя половина ствола до диафрагмы лишь слегка сужена, и есть ряд дополнительных линзовых элементов, которые должны использоваться в добавление к переднему элементу для достижения точки # 1, а также для исправления аберраций. Таким образом, у вас есть ряд линз от 4 "до 6" в передней половине ствола, поверх всех элементов линзы за диафрагмой до правильно проецировать прямолинейное изображение на сенсор, диаметр каждого из которых все еще составляет от дюйма до нескольких дюймов. Все это стекло СТОИТ!

Замена асферического элемента, который исправляет аберрации, сферическим элементом, который, вероятно, не приведет к снижению стоимости, но не особенно значительно, если мы не говорим об очень коротких фокусных расстояниях, которые представляют собой широкоугольные зумы (где стоимость коррекции аберраций имеет тенденцию быть более значительным фактором стоимости, так как общее количество стекла намного меньше, чем при более длинных фокусных расстояниях.) Однако, независимо от типа объектива, обычно большую часть стоимости составляет передний элемент, возможно, передняя пара элементов.

Даже в широкоугольном объективе передний элемент обычно будет во много раз больше, чем необходимо для достижения правильного входного зрачка, только в этом случае необходимо изгибать свет под достаточно широким углом, а не собирать требуемый количество света. В широкоугольном объективе передний элемент может во много раз превышать общий объем любого другого объектива. Стоимость стекла.

Как вы заявляете, количество дополнительного стекла должно быть достаточным только для обеспечения большей апертуры. Помните, что каждая остановка в апертуре - это ФАКТОР ДВУХ изменений в ОБЛАСТИ апертуры. Если у вас объектив с фокусным расстоянием 600 мм f / 5,6, диафрагма составляет 107 мм, или ~ 11 500 мм ^ 2. Если вы хотите сделать объектив с фокусным расстоянием 600 мм f / 4, даже если вас не волнует исправление аберраций, это диафрагма 150 мм ... или 22 500 мм ^ 2 !! Вы удвоили минимальную площадь , необходимую для поддержки диафрагмы, и, вероятно, более чем удвоили объем (более крупные элементы также обычно толще, поэтому общее увеличение объема может превышать дважды). И это только для переднего элемента ... их еще около 12-18! Количество стекла, с точки зрения объема, которого едва хватает для поддержания большей апертуры, более чем вдвое превышает необходимое для следующей остановки вниз. Не стоит недооценивать эту стоимость.

Как уже упоминали другие, многие объективы уже делают именно то, что вы теоретизировали: позвольте IQ страдать при максимальной диафрагме, требуя, чтобы объектив был остановлен на столько же, сколько остановка или около того, чтобы полностью реализовать максимальный потенциал резкости. Вообще говоря, более дешевые линзы потребительского класса делают это, как правило, в результате множества факторов (более дешевое стекло, более простой и полностью автоматизированный процесс производства, автоматизированная сборка и т. Д.)

Единственная основная причина, почему более дешевые линзы дешевле, однако ... это меньшие максимальные значения диафрагмы. Большинство объективов потребительского уровня, а также объективы сторонних производителей используют меньшие максимальные значения диафрагмы. Большинство широкоугольных и телеобъективов потребительского уровня максимально увеличиваются при f / 3,5, как правило, непостоянно, поэтому f / 3,5-5,6. Многие телеобъективы сторонних производителей начинаются с f / 5.6, а названия брендов начинаются с f / 4, а сторонние телеобъективы часто используют f / 5.6-6.3, в то время как телеобъективы известных марок часто предлагают f / 4 или даже f / 2.8. постоянная апертура Максимальная диафрагма является основным фактором, влияющим на стоимость, поскольку она явно определяет общий объем необходимого стекла.

Корректирующие линзовые элементы, разработанные для уменьшения аберраций, такие как асферические элементы, флюоритовые элементы, дифракционные элементы, элементы со сверхнизкой дисперсией и т. Д. - все это увеличивает стоимость, но опять же делает большой 5-дюймовый флюоритовый элемент для телеобъектива f / 4 Объектив значительно дороже, чем изготовление 3 "флюоритового элемента для телеобъектива f / 5.6. Опять же ... каждое изменение диафрагмы является фактором двухкратного изменения площади и еще большим изменением общего объема стекла.

Answer 2

Вы, наверное, слышали, как люди описывают некоторые линзы как "необычно мягкие широко открытые, но проходимые при f / 2,8 и превосходные от f / 4" или подобные. Это потому, что в основном эти линзы уже спроектированы так, как вы предлагаете, хотя они дополнительно ограничены размером, весом, сложностью, стоимостью и другими конструктивными факторами. И они также позволяют вам использовать объектив с более широкой диафрагмой, если вы действительно хотите сделать снимок таким образом, в качестве бонуса.

В дополнение к основной проблеме смещения фокуса, больше объективов не делают этого еще более экстремальным образом, потому что в реальном мире эти другие факторы очень важны - и, как правило, более важны, чем это пособие. Увеличение максимальной диафрагмы, даже без учета качества изображения, требует, чтобы объектив был больше, тяжелее и дороже, потому что стекло - это все эти вещи. Мало кто захочет добиться такого компромисса в обмен на немного лучший автофокус.

Answer 3

В этом плане есть небольшой недостаток: аберрации (особенно, но не только сферическая аберрация) являются главной причиной явления смещения фокуса. По сути, это будет означать, что ваша «фокусирующая линза» не будет иметь точно такое же фокусное расстояние, что и ваша «снимающая линза», поэтому изображения, сфокусированные идеально на большей диафрагме, будут не сфокусированы на меньших диафрагмах (по крайней мере, до глубины резкости). становится достаточно большим, чтобы скрыть / замаскировать разницу).

Конечно, есть способы обойти эту проблему. Hasselblad отображает известные смещения фокуса своих объективов при различных значениях диафрагмы как часть своей системы True Focus. Но чтобы попасть туда и сделать это надежно, Хасселбладу пришлось закрыть систему. (Как и жениться на телах и спинах. Не беспокойтесь об этом; система допускает сложное полигамное / изменяющее общество общество, при условии, что все подключения должным образом благословлены на заводе.) для всего мира зеркальных фотокамер формата APS-C / 135 и камер EVIL / MILC, это будет означать, что новый тип объектива будет работать только на новых телах, и что телам придется «знать» характеристики линз, используя эта стратегия. И это будет означать даже более жесткие допуски, чем допустимые в настоящее время (и нам нужно, чтобы микрофокусные приспособления заставили их работать на высоком уровне), чтобы прогнозируемое смещение фокуса и фактическое смещение фокуса хорошо соответствовали.

Таким образом, вы экономите немного денег на одной части объектива (стекла), делая более дорогой и остальную часть объектива, и корпус камеры. И Вы должны объяснить людям, почему их объективы f / 1.2 на самом деле всего лишь f / 2.8s, что потребовало бы немного маркетинга. И вы, скорее всего, отключите стороннее кровоснабжение. Это может быть хорошо, если вы Hasselblad, упрощая то, что было опытом Франкенштейна (это действительно единственная цифровая СЧ с взаимозаменяемыми задними частями, которая на данный момент не похожа на случайные части, склеенные вместе), на ограниченном и редком рынке. и только один конкурент. Это огромный риск с большим количеством потенциальных недостатков на «товарном» рынке.

Answer 4

Дополнительное стекло в быстром объективе предназначено не только для исправления аберраций. Полная диафрагма должна быть видна по всему полю зрения, то есть для объективов средней или большой ширины, вы не можете просто увеличить апертуру, вы должны сделать все элементы перед диафрагмой намного больше.

Но ваша идея в некотором роде работает с объективами большого формата. Многие из этих объективов имеют f / 5.6, но это просто для того, чтобы получить достаточно яркое изображение, чтобы сфокусироваться с помощью матового стекла, и вы бы снимали в этой апертуре из-за глубины резкости, угла и резкости.