Как зум-объективы ограничивают диафрагму на телеобъективе?

Question

Закрывает ли кольцо диафрагмы апертуры за, скажем, 5.6 в длину, телеобъектив объектива? Не создает ли объектив препятствие для кольца диафрагмы, чтобы объектив больше нельзя было открывать за диафрагмой на конце телеобъектива?

И почему линзы так себя ведут? Почему они не имеют постоянной диафрагмы во всем фокусном диапазоне?

Answer 1

Входной зрачок ограничен диаметром переднего элемента, и именно это обычно ограничивает максимальную диафрагму телеобъектива, а не физический размер диафрагмы диафрагмы.

Физический размер диафрагмы является лишь частью того, что определяет максимальную диафрагму, выраженную как число f объектива. Увеличение между передней частью объектива и расположением диафрагмы также играет роль. Число диафрагмы диафрагмы определяется отношением фокусного расстояния объектива к диаметру входного зрачка , часто называемого эффективной диафрагмой. Говоря простым языком, диаметр входного зрачка *1008* определяется как насколько широко раскрывается диафрагма при просмотре через переднюю часть объектива .

Когда объективы с постоянным увеличением диафрагмы перемещаются для изменения фокусного расстояния, увеличение между передней частью объектива и диафрагмой - это то, что обычно изменяется, а не физический размер диафрагмы. Изменение увеличения - это то, что позволяет входному зрачку казаться больше при больших фокусных расстояниях и меньше при более коротких фокусных расстояниях. Объектив 70-200 мм f / 2.8 имеет входной зрачок диаметром 25 мм при 70 мм и f / 2,8. На расстоянии 200 мм входной зрачок при f / 2,8 имеет толщину чуть более 71 мм. Фактическая физическая диафрагма имеет одинаковый размер в обоих случаях. Что изменилось, так это величина увеличения между диафрагмой в сборе и передней частью объектива.

Обратите внимание, что этот же принцип обычно применяется и в объективах с переменным фокусным расстоянием. Возьмите, к примеру, 18-300 мм объектив с фокусным расстоянием f / 3,5-5,6. На 18 мм входной зрачок для f / 3.5 имеет ширину примерно 5,14 мм. При 300 мм входной зрачок для f / 5,6 в десять раз больше, чем при ширине 53,6 мм. Обратите внимание, что большинство зум-объективов с максимальным фокусным расстоянием 300 мм и f / 5,6 имеют передние элементы, диаметр которых немного превышает 54 мм. Необходимый размер входного зрачка является причиной! Если бы входной зрачок на 300 мм по-прежнему имел ширину 5,14 мм, а на 18 мм и f / 3,5, максимальная диафрагма на 300 мм была бы f / 58!

Так почему же во всех зум-объективах не используется достаточное увеличение для сохранения постоянной диафрагмы во всем диапазоне зума? Прежде всего, это стоимость, связанная с дополнительными размерами, весом и сложностью, необходимыми для изготовления объектива с постоянной апертурой.

Входной зрачок не может быть намного больше диаметра переднего элемента объектива для объектива с узким углом зрения. При 200 мм для диафрагмы f / 5,6 требуется входной зрачок диаметром почти 36 мм. Большинство современных сменных объективов имеют по меньшей мере такой большой диаметр, поскольку монтажные фланцы на большинстве современных камер со сменными объективами имеют диаметр примерно 42-54 миллиметра. (Обратите внимание, что речь идет о ширине отверстия в монтажном фланце, а не о расстоянии монтажного фланца перед плоскостью датчика / пленки, которое называется расстоянием регистрации.) с другой стороны, при 200 мм диафрагме f / 2,8 требуется входной зрачок шириной примерно 71,4 мм. Для этого диаметр линзы должен быть значительно больше диаметра отверстия в монтажном фланце.

Мало того, что тубус объектива и все части линзы, которые окружают оптический путь, должны быть больше и, следовательно, требовать большего количества сырья, из которого они сделаны, но фактические оптические элементы также должны быть больше в диаметре и толще, чтобы поддерживать одинаковые углы преломления. Более крупные линзовые элементы также вносят больше аберраций, которые требуют коррекции. Часто самыми дорогими материалами в линзе являются те, которые используются для изготовления этих корректирующих оптических элементов. Добавление элементов для исправления таких вещей, как хроматическая аберрация, может создать дополнительные проблемы, такие как геометрические искажения, которые требуют еще большего количества дополнительных элементов для исправления. Таким образом, не только весь объектив и многие оптические элементы внутри должны быть больше, но также требуется больше оптических компонентов, изготовленных из более дорогих материалов. Это означает, что объектив не только дороже в проектировании и изготовлении, но также он больше и тяжелее.

Для большинства людей, за исключением случаев, когда им действительно требуется той большой диафрагмы, которую они с такой же скоростью носили бы с более легкой линзой меньшего размера, за которую они платили намного меньше.

Answer 2

Качество современного зум-объектива превосходно, учитывая все производственные проблемы. Производителю не понравится ничего лучше, чем поддерживать постоянную максимальную диафрагму во время увеличения. Это легче сказать, чем сделать.

Число f является отношением. Математически мы делим фокусное расстояние на диаметр рабочей апертуры, чтобы вычислить число f. Нам нужно, чтобы это значение было отношением, потому что отношение безразмерно. Другими словами, объектив f / 4 пропускает одну и ту же световую энергию на пленку или датчик независимо от размеров объектива. Например, объектив с фокусным расстоянием 100 мм с диафрагмой диаметром 25 мм работает при f / 4. Эта резкость обеспечивает ту же яркость изображения, что и система астрономического телескопа с фокусным расстоянием 4000 мм с рабочей апертурой 1000 мм. Оба выставляют одну и ту же перспективу одинаково.

Нам нужна система чисел f, потому что она устраняет хаос. Любой объектив с таким же f-номером, что и любой другой объектив, обеспечивает ту же яркость изображения. Это потому, что фокусное расстояние и диаметр диафрагмы переплетаются. По мере увеличения и увеличения масштаба изображение тускнеет. Подумайте о перемещении проектора все дальше и дальше от белой стены. Когда вы отодвигаете проектор от стены, проецируемое изображение на стене становится больше и, поскольку свет должен покрывать большую площадь поверхности, изображение становится тусклым. То же самое с зум-объективом.

Каким-то образом производитель объективов должен компенсировать это, или постоянное число f не может быть сохранено во время увеличения. Большинство зумов не могут поддерживать постоянное число f. Это становится слишком дорогим, чтобы делать, и продажи будут потеряны, потому что вы оценили себя вне рынка.

Как сохранить постоянное число f по всему зуму? Ирисовая диафрагма установлена ​​позади движущейся группы линз. Передняя группа действует как лупа, заставляя видимый диаметр радужки выглядеть больше, если смотреть спереди. Такое размещение позволяет большему количеству света проходить через ирисовую диафрагму по мере увеличения и увеличения объектива. Такое расположение и действие передних линзовых элементов вызывают искажения и аберрации, которые необходимо исправить. Эта коррекция требует сложных линзовых элементов, которые должны двигаться с точностью. Это добавляет к стоимости. Суть в том, что зум с постоянной диафрагмой очень дорог в изготовлении.

Answer 3

Независимо от того, является ли зум-объектив постоянной диафрагмой или переменной диафрагмой, это, во-первых, связано с конструкцией, во-вторых, с механическими факторами, такими как открытие или закрытие диафрагмы.

Зум-объектив работает, когда некоторые элементы перемещаются для изменения фокусного расстояния. Это работает из-за уравнения для фокусного расстояния толстой линзы:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Где Phi - общая оптическая сила толстой линзы, phi_1 и phi_2 - оптическая сила первой и второй поверхности, t - толщина между ними, а n - показатель преломления линзы. EFL обозначает эффективное фокусное расстояние и является тем, что в разговорной речи называется «фокусное расстояние».

Любая оптическая система, содержащая любое количество элементов, может быть точно смоделирована как одна тонкая линза. Это уравнение также работает для тонких линз, но член t / n исчезает, так как t = 0. Объектив 50 мм f / 1,8 можно смоделировать как одну тонкую линзу с фокусным расстоянием 50 мм, а объектив 18–300 мм можно установить на 50 мм.

Вы также можете использовать эту формулу для моделирования 2 тонких линз. Пока линзы положительны, вы можете видеть, что, раздвигая их дальше друг от друга, член т / п станет больше. По мере роста мощность уменьшается, а фокусное расстояние увеличивается.

Это сущность зум-объектива.

---

Как только вы вводите диафрагму в оптическую систему, у вас есть так называемые входные и выходные зрачки . Входной зрачок - это изображение остановки диафрагмы, образованной элементами перед ним, а выходной зрачок - изображение остановки диафрагмы, образованной элементами позади нее.

Зрачки имеют положение и размер точно так же, как элемент линзы или собственно диафрагма. f / # объектива можно аппроксимировать как

(3) f / # = EFL / EPD

Где f / # - «фокусное отношение», EFL - эффективное фокусное расстояние, а EPD - диаметр входного зрачка.

Давайте вставим ограничитель диафрагмы в середине двух тонких линз, разделенных воздухом. Если мы увеличим EFL системы объективов, переместив объектив вперед, EPD изменится вместе с ним. Если мы увеличим EFL объектива, переместив объектив назад назад, EPD не изменится вместе с ним, поскольку этот объектив никак не влияет на входной зрачок.

Бывает так, что если вы не сделаете чрезвычайно большой диапазон увеличения, увеличение диафрагмы, отвечающей за EPD, будет увеличиваться с той же скоростью, что и фокусное расстояние. Поскольку и числитель, и знаменатель (3) изменились на одну и ту же относительную величину, соотношение остается тем же, и, следовательно, наша линза могла сместиться с 70 мм до 200 мм и сохранить диафрагму f / 4.

Если бы мы сдвинули объектив сзади, объектив уменьшился бы примерно до f / 10 или около того, увеличив масштаб с 70 мм до 200 мм.

---

Современный зум-объектив имеет 3 или 4 группы зума, поэтому он сложнее, чем это простое объяснение. Если все они находятся перед ограничителем диафрагмы, это все еще верно. Если большинство из них находятся перед ограничителем диафрагмы, изготовитель будет стремиться запрограммировать диафрагму на открытие / закрытие, в то время как объектив будет увеличивать, и просто обманывать зазор, чтобы он вел себя как объектив с постоянной апертурой.

Вы можете задаться вопросом, почему бы просто не поставить все группы перед остановкой и покончить с этим - есть две ключевые мотивы:

1) Если вы заставляете все масштабирование происходить перед ограничителем диафрагмы, объектив обязательно длиннее, чем если бы он мог увеличивать с обеих сторон.

2) Проще спроектировать объектив с хорошей коррекцией, если вам разрешено изменять положение элементов с обеих сторон.