Kiedy czyta się o obiektywach zmiennoogniskowych, stosunkowo częstym komentarzem pojawiającym się w recenzjach niektórych obiektywów (zwłaszcza obiektywów o niższej cenie) jest to, że obiektyw nie jest tak ostry („miękki”) na jednym lub obu końcach zakresu ogniskowych .
Dlaczego obiektyw miałby różny poziom ostrości przy różnych ogniskowych i dlaczego skrajności byłyby najgorsze?
Odpowiedzi:
Ostrzeżenie: to kolejna z moich odpowiedzi na „długość książki” ... :-)
Zacznijmy od krótkiego przeglądu działania obiektywu zmiennoogniskowego. Rozważ najprostszą możliwą konstrukcję obiektywu - pojedynczy element. Jednym dużym problemem związanym z obiektywem jednoelementowym jest to, że ogniskowa obiektywu określa odległość elementu od płaszczyzny filmu / czujnika, aby ustawić ostrość na scenie, więc obiektyw 300 mm (na przykład) musiałby być 300 mm od czujnika, aby ustawić ostrość na nieskończoność. I odwrotnie, obiektyw szerokokątny musiałby być naprawdę blisko płaszczyzny filmu / czujnika, aby skupić się na nieskończoności.
Wkrótce jednak projektanci obiektywów wymyślili całkiem fajną sztuczkę: mogli stworzyć długą efektywną ogniskową, umieszczając krótki element ogniskowej z przodu, a za nim (nieco słabszy) element ujemny. W przypadku elementu ujemnego światło uderza w płaszczyznę filmu pod dokładnie tym samym kątem (kątami), jakby zostało załamane przez długą soczewkę. Przesadzając trochę (lub dużo), otrzymujemy substytucję w następujący sposób:
Oba obiektywy mają taką samą efektywną ogniskową, ale (oczywiście) drugi jest fizycznie nieco krótszy - nie musi wystawać z przodu kamery prawie tak daleko.
Podwójna górna linia w drugim projekcie prowadzi nas jednak do drugiego punktu: aberracji chromatycznej. „Wewnętrzna” linia reprezentuje niebieskie światło przechodzące przez soczewki, a „zewnętrzna” linia czerwone światło. Ze względu na krótszą długość fali niebieskie światło zawsze załamuje się (wygina) bardziej podczas przechodzenia przez soczewkę niż światło czerwone. Jednak w zależności od szkła różnica między załamaniem światła czerwonego i niebieskiego może być dość duża lub względnie mała.
Jeśli wybierzemy odpowiednią szybę do przodu w stosunku do elementu tylnego, możemy z grubsza osiągnąć to, co pokazano na zdjęciu - ilość dodatkowego zgięcia w elemencie przednim jest dokładnie kompensowana przez ilość dodatkowego zgięcia w drugim elemencie, więc czerwone i niebieskie światło skupiają się dokładnie razem.
Jednak z obiektywem zmiennoogniskowym wszystko nie działa tak łatwo. Aby uzyskać obiektyw zmiennoogniskowy, bierzemy drugi projekt, ale przesuwamy tylny element w stosunku do przedniego. W takim przypadku, jeśli przesuniemy przedni element do przodu, niebieskie światło będzie mniej odchylało się od czerwonego, gdy wejdą do drugiego elementu, a ponieważ za drugim elementem nie będzie już miejsca, będzie bardziej zgięte - jako W rezultacie zamiast skupiać się dokładnie razem, niebieskie światło skończy „na zewnątrz” czerwonego światła, które pojawi się na zdjęciu jako aberracja chromatyczna.
I odwrotnie, jeśli tylny element zostanie przesunięty z powrotem bliżej czujnika, niebieskie światło będzie dalej odchylać się od czerwonego światła, gdy dojdzie do drugiego elementu. Następnie, ponieważ drugi element jest bliżej czujnika, nie zbiegnie się z czerwonym, więc skończy się nadal „wewnątrz” czerwonego, gdy dotrze do czujnika - znowu aberracja chromatyczna (ale w przeciwnym kierunku) ).
Gdybyśmy to zostawili, wszystkie obiektywy zmiennoogniskowe byłyby okropne - każda zmiana ogniskowej dawałaby ogromne ilości CA. Aby temu przeciwdziałać, elementy są grupowane. Zamiast tylko elementu przedniego i drugiego elementu, z których jeden kompensuje CA wprowadzony przez drugi, mielibyśmy dwie grupy elementów, z których każdy kompensuje swój własny CA, a przenoszenie grup względem siebie nie zmień CA w ogóle.
Jednak nadal nie jest to takie proste. Jest to fizycznie niemożliwe, aby grupa elementów całkowicie kompensowała CA. Element zawsze zgina światło niebieskie o kąt większy niż kąt, pod którym wygina światło czerwone. W najlepszym razie, jeśli umieścisz elementy bardzo blisko siebie, możesz sprawić, że czerwone i niebieskie światło podróżuje bardzo blisko siebie i prawie równolegle, ale nadal lekko oddzielone. Jeśli pochylisz je do siebie, zbiegną się tylko w jednej dokładnej odległości; z dowolnej innej odległości skończysz z CA w jednym lub drugim kierunku.
Jednak, jak już wspomniano, w przypadku obiektywu zmiennego odległości muszą ulec zmianie. To, co zwykle robi projektant soczewek, to zminimalizowanie najgorszego przypadku CA. Jest to dość łatwe (przynajmniej teoretycznie): patrzy na zakres, w którym porusza się tylny element, i określa kąt, który zapewni zbieżność dokładnie na środku tego zakresu. W ten sposób dzieli rzeczy, dzięki czemu CA będzie się zbliżać w jednym kierunku, gdy tylny element zbliża się do czujnika, a w drugim kierunku, gdy przesuwa się dalej. Oczywiście nie jest to tak naprawdę tylko tylny element - musi spojrzeć na kombinację wszystkich ruchów wszystkich grup elementów (i oczywiście uwzględnić rozproszenie wprowadzane przez każdy z nich).
Kiedy jednak obliczy zasięg, zwykle minimalizuje najgorszy przypadek, dzieląc różnicę - optymalizując z grubsza środek zakresu, więc staje się nieco gorzej w każdym kierunku. Wyjątkiem jest soczewka, która powinna być używana przede wszystkim na jednym lub drugim końcu. W takim przypadku warto zoptymalizować w przybliżeniu spodziewany zakres użytkowania i żyć z faktem, że najgorszy przypadek będzie gorszy, niż byłby w rzeczywistości.
Oczywiście dotyczy to tylko jednego z kilku czynników ważnych dla konstrukcji obiektywu - projektant musi również wziąć pod uwagę (przynajmniej) śpiączkę, astygmatyzm, winietowanie, zniekształcenie i aberrację sferyczną - nie wspominając już o kilka drobnych szczegółów, takich jak rozmiar, waga, koszt i po prostu możliwość wyprodukowania prawdziwego obiektywu, który działa w sposób, w jaki go zaprojektował.
Niestety widziałem także obiektywy, w których ogniskowe są najgorsze, więc twoje założenie nie zawsze jest prawidłowe.
Zasadniczo zoom składa się z ruchomych elementów optycznych i muszą one poruszać się względem siebie, aby zmienić ogniskową obiektywu. Inżynierowie optyczni są odpowiedzialni za optymalizację działania w całym zakresie zoomu za pomocą stałego zestawu części w ustalonej kolejności. Możesz sobie wyobrazić, że jest to trudny proces.
Skrajności są bardziej podatne na problemy, ponieważ elementy optyczne często często działają najlepiej w ustalonej pozycji, a im dalej od tej pozycji, tym bardziej od optymalnej wydajności.
Konstrukcja obiektywu zmiennoogniskowego, w przeciwieństwie do konstrukcji obiektywu stałoogniskowego (pojedynczej stałej ogniskowej), jest raczej złożona. W przypadku obiektywu stałoogniskowego o wiele łatwiej jest skorygować aberracje optyczne, takie jak aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna, zniekształcenie itp., I tak z mniejszą liczbą elementów soczewki. Im mniej elementów obiektywu (poszczególnych soczewek szklanych zastosowanych w konstrukcji złożonego obiektywu aparatu), tym lepsza będzie jakość obrazu, ponieważ każdy kawałek szkła wpłynie na ogniskowanie światła.
Obiektywy zmiennoogniskowe mają na ogół więcej elementów niż obiektywy podstawowe, czasem znacznie więcej. Jeśli chodzi o szersze ogniskowe, niektóre obiektywy zmiennoogniskowe są dłuższe niż ogniskowe i wymagają grupy „retrofokalnej” z tyłu. Wszystkie te dodatkowe elementy soczewki zwiększają aberracje optyczne, niektóre korygują aberracje innych elementów soczewki. W obiektywie zmiennoogniskowym korekcja optyczna musi być wykonana w taki sposób, aby uzyskać najlepszą ogólną jakość w całym zakresie ogniskowych, co zwykle oznacza, że gdzieś trzeba pójść na kompromis (nie można mieć ciasta i go zjeść).
Obiektywy zmiennoogniskowe mają zwykle „ostrzejsze” i „bardziej miękkie” punkty. Nie zawsze znajduje się na krańcach zakresu ogniskowych ... czasami jest na środku. Czasami kompromis wiąże się z kosztem ostrości „krawędzi” w porównaniu do ostrości „środkowej”, która może być gorsza przy jednej ogniskowej niż innej. Tak czy inaczej, dostosowanie zmiennego zakresu ogniskowej wymaga kompromisu z powodu niezbędnej złożoności.
Soczewki wyższej jakości często wykorzystują bardziej zaawansowaną optykę do korygowania aberracji, zwykle po znacznych kosztach. Obiektyw średniotonowy może po prostu użyć większej liczby obiektywów w celu korekcji aberracji i zignorować zmiany aberracji w całym zakresie ogniskowych. Najwyższej klasy profesjonalny obiektyw uwzględni zmienność aberracji, zastosuje zaawansowaną optykę, taką jak szkło o wysokiej gęstości, szkło o niskiej dyspersji, elementy asferyczne, elementy fluorytowe, elementy apochromatyczne, dodatkowe grupy korekcyjne itp., Aby utrzymać najwyższą jakość w całym zakresie ogniskowej zakres obiektywu zmiennoogniskowego. Kompromisy muszą być nadal dokonywane w stosunku do obiektywów stałoogniskowych, jednak stopień kompromisu jest zwykle znacznie mniejszy.
Soczewki wymagają znacznej korekty nieprawidłowości. Te nieprawidłowości są znane jako aberracje. Istnieje wiele aberracji, niektóre z bardziej powszechnych to sferyczne, astygmatyzm, chromatyczne, śpiączka, lufa, poduszeczka, krzywizna pola i nieostry.
Gdyby te aberracje nie istniały, konstrukcja obiektywu byłaby bardzo łatwa. Wystarczy ustawić obiektyw lub dwa w linii prostej, a za każdym razem uzyskasz idealny obraz. Ale wiemy, że te aberracje istnieją. Niemożliwe jest całkowite skorygowanie tych aberracji, z wyjątkiem jednego punktu. Im więcej tych aberracji, tym bardziej „miękki” będzie obraz.
Można zminimalizować zniekształcenia przez długi okres czasu, głównie przez droższe obiektywy. Droższe soczewki pochodzą z wytwarzania soczewek niesferycznych, które są trudniejsze do wyprodukowania.
Im bardziej oddalisz się od słabego punktu obiektywu, tym bardziej będzie miękki. Zmiany ogniskowych, apertury i odległości ogniskowej mają wpływ na najsłodsze miejsce. W ten sposób zmiana jednego z 3 pogorszy jakość. Jeśli soczewka jest wystarczająco wysokiej jakości, degradacja będzie ledwo zauważalna.