W jaki sposób obiektywy zmiennoogniskowe ograniczają swój najszerszy otwór na teleobiektywie?

Czy pierścień przysłony blokuje otwory poza, powiedzmy 5.6, teleobiektywem na końcu obiektywu? Czy obiektyw wprowadza przeszkodę do pierścienia przysłony, więc nie można już otworzyć obiektywu poza przysłoną na końcu teleobiektywu?

A zresztą dlaczego soczewki tak się zachowują? Dlaczego nie mają stałych apertur w całym zakresie ogniskowych?

Źrenica wejściowa jest ograniczona średnicą przedniego elementu, co zwykle ogranicza maksymalny otwór teleobiektywów zmiennoogniskowych - a nie fizyczny rozmiar przysłony.

Fizyczny rozmiar przysłony jest tylko częścią tego, co określa maksymalny otwór przysłony, wyrażony jako liczba f, obiektywu. Odgrywa również rolę powiększenie między przodem obiektywu a położeniem przysłony. Liczba f przysłony jest określona przez stosunek ogniskowej obiektywu podzielony przez średnicę źrenicy wejściowej , często określaną jako efektywna apertura. Mówiąc prościej, średnica źrenicy wejściowej jest określona przez to, jak szerokie jest otwarcie otworu diafragmy, patrząc od przodu soczewki .

Po przesunięciu obiektywów zmiennoogniskowych o stałej aperturze w celu zmiany ogniskowej, powiększenie między przodem obiektywu a przysłoną zwykle się zmienia, a nie fizyczny rozmiar przesłony. Zmiana powiększenia powoduje, że źrenica wejściowa wydaje się większa przy dłuższych ogniskowych i mniejsza przy krótszych ogniskowych. Obiektyw 70–200 mm f / 2.8 ma źrenicę wejściową o średnicy 25 mm przy 70 mm i f / 2.8. Przy 200 mm źrenica wejściowa dla f / 2.8 ma odrobinę ponad 71 mm szerokości. Rzeczywista fizyczna membrana jest w obu przypadkach tego samego rozmiaru. To, co się zmieniło, to wielkość powiększenia między zespołem przysłony i przednią częścią soczewki.

Pamiętaj, że ta sama zasada jest zwykle stosowana również w przypadku obiektywów zmiennoogniskowych. Weźmy na przykład obiektyw zmiennoogniskowy 18–300 mm f / 3,5–5,6. Przy 18 mm źrenica wejściowa dla f / 3.5 ma około 5,14 mm szerokości. Przy 300 mm źrenica wejściowa dla f / 5.6 jest ponad dziesięciokrotnie większa od 53,6 mm. Zwróć uwagę, że większość obiektywów zmiennoogniskowych o maksymalnej ogniskowej 300 mm i przysłonie f / 5.6 ma przednie elementy, które są nieco większe niż 54 mm średnicy. Potrzebna wielkość źrenicy wejściowej jest powodem! Gdyby źrenica wejściowa przy 300 mm nadal miała 5,14 mm szerokości, tak jak przy 18 mm i f / 3,5, maksymalny otwór przy 300 mm wynosiłby f / 58!

Dlaczego więc nie wszystkie obiektywy zmiennoogniskowe używają wystarczającego powiększenia, aby pozostawać na stałym otworze w całym zakresie ogniskowych? Przede wszystkim koszt związany z dodatkowym rozmiarem, wagą i złożonością potrzebną do uzyskania obiektywu o stałej aperturze.

W przypadku wąskiego kąta widzenia źrenica wejściowa nie może być znacznie większa niż średnica przedniego elementu soczewki. Przy 200 mm przysłona f / 5.6 wymaga źrenicy wejściowej o średnicy prawie 36 mm. Większość obecnych wymiennych obiektywów ma co najmniej tak dużą średnicę, ponieważ kołnierze montażowe w większości współczesnych aparatów z wymiennymi obiektywami mają średnice około 42–54 milimetrów. (Należy pamiętać, że mówimy o szerokości otworu w kołnierzu montażowym, a nie odległości kołnierza montażowego przed płaszczyzną czujnika / folii, która jest określana jako odległość rejestracyjna.) Z drugiej strony, przy 200 mm Przysłona f / 2.8 wymaga źrenicy wejściowej o szerokości około 71,4 mm. Wymaga to, aby średnica soczewki była znacznie większa niż otwór w kołnierzu mocującym.

Nie tylko tubus obiektywu i wszystkie części soczewki otaczające ścieżkę optyczną muszą być większe, a zatem wymagają większych ilości surowca, z którego są wykonane, ale rzeczywiste elementy optyczne muszą mieć większą średnicę i grubsze w celu utrzymania tych samych kątów załamania. Większe elementy soczewki wprowadzają również więcej aberracji, które wymagają korekty. Często najdroższymi materiałami w soczewce są materiały użyte do wykonania korekcyjnych elementów optycznych. Dodanie elementów w celu poprawienia rzeczy, takich jak aberracja chromatyczna, może powodować dodatkowe problemy, takie jak zniekształcenie geometryczne, niż wymagać jeszcze większej liczby dodatkowych elementów do poprawienia. Tak więc nie tylko cała soczewka i wiele elementów optycznych w środku musi być większa, ale także wymaga więcej elementów optycznych wykonanych z droższych materiałów.

Dla większości ludzi, o ile tak naprawdę nie potrzebują większej apertury, mieliby przy sobie lżejszy, mniejszy obiektyw, za który zapłacili dużo mniej.

Jakość nowoczesnego obiektywu zmiennoogniskowego jest znakomita, biorąc pod uwagę wszystkie napotkane problemy produkcyjne. Twórca nie chciałby nic lepszego niż utrzymanie maksymalnej wartości przysłony na stałym poziomie podczas zoomu. Łatwiej to powiedzieć niż zrobić.

Liczba f jest współczynnikiem. Matematycznie dzielimy ogniskową przez średnicę otworu roboczego, aby obliczyć liczbę f. Potrzebujemy, aby ta wartość była współczynnikiem, ponieważ współczynnik jest bezwymiarowy. Innymi słowy, obiektyw f / 4 przekazuje tę samą energię światła do filmu lub czujnika, niezależnie od wymiarów obiektywu. Na przykład obiektyw 100 mm z otworem o średnicy 25 mm działa na przysłonie f / 4. To mocowanie zapewnia taką samą jasność obrazu jak system teleskopu astronomicznego o ogniskowej 4000 mm z aperturą roboczą 1000 mm. Obie eksponują tę samą perspektywę tak samo.

Potrzebujemy systemu liczb f, ponieważ usuwa chaos. Każdy obiektyw ustawiony na tę samą liczbę f jak każdy inny obiektyw zapewnia tę samą jasność obrazu. Jest tak, ponieważ ogniskowa i średnica przysłony są ze sobą powiązane. W miarę powiększania i powiększania obraz przygasa. Pomyśl o przesunięciu projektora coraz dalej od białej ściany. Gdy odsuniesz projektor od ściany, wyświetlany obraz na ścianie staje się większy, a ponieważ światło musi obejmować większą powierzchnię, obraz staje się ciemniejszy. To samo z obiektywem zmiennoogniskowym.

W jakiś sposób twórca obiektywu musi to zrekompensować, w przeciwnym razie nie można utrzymać stałej wartości przysłony przez cały zoom. Większość zoomów nie może utrzymać stałej wartości przysłony. Staje się, że produkcja staje się zbyt droga i sprzedaż zostanie utracona, ponieważ wyceniłeś się z rynku.

Jak utrzymać stałą wartość przysłony przez cały zoom? Przesłona tęczówki znajduje się za ruchomą grupą soczewek. Przednia grupa działa jak lupa, powodując, że widoczna średnica tęczówki staje się większa, patrząc od przodu. To umiejscowienie pozwala coraz większej ilości światła przenikać przez tęczówkę, gdy obiektyw zbliża się do coraz większych powiększeń. Takie umieszczenie i działanie elementów przedniej soczewki wywołuje zniekształcenie i aberracje, które należy skorygować. Ta korekcja wymaga złożonych elementów soczewki, które muszą poruszać się z precyzją. Zwiększa to koszt. Najważniejsze jest to, że stałe powiększenie przysłony jest bardzo drogie.

Niezależnie od tego, czy obiektyw zmiennoogniskowy ma stałą przysłonę, czy zmienną, najpierw ma związek z konstrukcją, a po drugie z czynnikami mechanicznymi, takimi jak otwieranie lub zamykanie przysłony.

Obiektyw zmiennoogniskowy polega na przesunięciu niektórych elementów w celu zmiany ogniskowej. Działa to ze względu na równanie ogniskowej grubego obiektywu:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Gdzie Phi jest całkowitą mocą optyczną grubej soczewki, phi_1 i phi_2 są mocą optyczną pierwszej i drugiej powierzchni, t jest grubością między nimi, a n jest współczynnikiem załamania soczewki. EFL oznacza efektywną ogniskową i jest potocznie nazywany ogniskową.

Każdy układ optyczny zawierający dowolną liczbę elementów można dokładnie modelować jako pojedynczą cienką soczewkę. To równanie działa również w przypadku cienkich soczewek, ale składnik t / n znika, ponieważ t = 0. Obiektyw 50 mm f / 1.8 można modelować jako pojedynczy cienki obiektyw o ogniskowej 50 mm, podobnie jak obiektyw 18–300 mm ustawiony na 50 mm.

Możesz także użyć tej formuły do ​​modelowania 2 cienkich soczewek. Tak długo, jak soczewki są dodatnie, możesz zauważyć, że przesuwając je dalej, wartość t / n będzie się powiększać. Gdy rośnie, moc maleje, a ogniskowa staje się większa.

To jest istota obiektywu zmiennoogniskowego.

Gdy tylko wprowadzisz ogranicznik przysłony do układu optycznego, masz tak zwane źrenice wejściowe i wyjściowe . Źrenica wejściowa to obraz ogranicznika przysłony utworzonego przez elementy znajdujące się przed nim, a źrenica wyjściowa to obraz ogranicznika przysłony utworzonego przez elementy za nim.

Źrenice mają pozycję i rozmiar, podobnie jak element soczewki lub sama przysłona. Wartość f / # obiektywu można przybliżyć w przybliżeniu

(3) f / # = EFL / EPD

Gdzie f / # to „współczynnik ogniskowej”, EFL jest efektywną długością ogniskowej, a EPD jest średnicą źrenicy wejściowej.

Naklejmy ogranicznik przysłony na środku dwóch cienkich soczewek oddzielonych powietrzem. Jeśli zwiększymy EFL układu soczewek, przesuwając obiektyw do przodu, wartość EPD zmieni się wraz z nim. Jeśli zwiększymy EFL soczewki, przesuwając soczewkę do tyłu, EPD nie zmieni się wraz z nią, ponieważ soczewka ta nie wpływa w żaden sposób na źrenicę wejściową.

Zdarza się, że jeśli nie zrobisz bardzo dużego zakresu zoomu, powiększenie ogranicznika przysłony odpowiedzialnego za EPD zwiększa się w tym samym tempie, co ogniskowa. Ponieważ zarówno licznik, jak i mianownik (3) zmieniły się o tę samą wartość względną, stosunek jest nadal taki sam, a zatem nasz obiektyw mógł przesunąć się z 70 mm do 200 mm i utrzymał aperturę f / 4.

Gdybyśmy przesunęli obiektyw z tyłu, obiektyw zwolniłby do około f / 10 lub mniej więcej poprzez zbliżenie od 70 mm do 200 mm.

Nowoczesny obiektyw zmiennoogniskowy ma 3 lub 4 grupy zoomu, więc jest to bardziej skomplikowane niż to proste wyjaśnienie. Jeśli wszystkie znajdują się przed ogranicznikiem przysłony, jest to nadal prawdą. Jeśli większość z nich znajduje się przed ogranicznikiem przysłony, producent będzie miał tendencję do programowania przysłony w taki sposób, aby otwierała / zamykała się podczas zbliżania się obiektywu i po prostu oszukiwała szczelinę, aby zachowywała się jak obiektyw o stałej aperturze.

Możesz się zastanawiać, dlaczego nie postawić wszystkich grup przed przystankiem i skończyć z tym - istnieją dwie kluczowe motywacje:

1) Jeśli wymusisz, aby całe zbliżenie odbyło się przed ogranicznikiem przysłony, obiektyw jest koniecznie dłuższy niż gdyby mógł powiększyć po obu stronach.

2) Łatwiej jest zaprojektować dobrze skorygowaną soczewkę, jeśli możesz zmienić położenie elementów po obu stronach.