Как зум-объективы ограничивают свою самую широкую диафрагму в конце телефото?

Входной зрачок ограничен диаметром переднего элемента, и именно это обычно ограничивает максимальную апертуру телеобъективов с переменным фокусным расстоянием, а не физический размер апертурной диафрагмы.

Физический размер диафрагмы является лишь частью того, что определяет максимальную апертуру объектива, выраженную числом f. Увеличение между передней частью объектива и расположением диафрагмы также играет роль. Число f диафрагмы определяется отношением фокусного расстояния объектива к диаметру входного зрачка , часто называемому эффективной апертурой. Говоря простым языком, диаметр входного зрачка определяется тем, насколько широким кажется отверстие диафрагмы, если смотреть через переднюю часть линзы .

Когда зум-объективы с постоянной диафрагмой перемещаются для изменения фокусного расстояния, обычно изменяется увеличение между передней частью объектива и диафрагмой, а не физический размер диафрагмы. Изменение увеличения 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 200 мм входной зрачок при f/2.8 имеет ширину чуть более 71 мм. Фактическая физическая диафрагма имеет одинаковый размер в обоих случаях. Что изменилось, так это степень увеличения между узлом диафрагмы и передней частью объектива.

Обратите внимание, что этот же принцип обычно работает и с зум-объективами с переменной апертурой. Возьмем, к примеру, зум-объектив 18–300 мм f/3,5–5,6. При 18 мм входной зрачок для f/3.5 имеет ширину примерно 5,14 мм. При 300 мм входной зрачок для f/5,6 более чем 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 диаметром чуть больше 54 мм. Причина в необходимом размере входного зрачка! Если бы входной зрачок на расстоянии 300 мм все еще имел ширину 5,14 мм, как при 18 мм и f/3,5, максимальная апертура на 300 мм была бы f/58!

Так почему же не все зум-объективы используют достаточное увеличение, чтобы оставаться с постоянной диафрагмой во всем диапазоне увеличения? В первую очередь стоимость, связанная с дополнительным размером, весом и сложностью, необходимыми для производства объектива с постоянной апертурой.

Входной зрачок не может быть намного больше диаметра переднего элемента объектива для объектива с узким углом зрения. При 200 мм диафрагма f/5.6 требует входного зрачка диаметром почти 36 мм. Большинство современных сменных объективов имеют как минимум такой большой диаметр, поскольку монтажные фланцы на большинстве современных камер со сменными объективами имеют диаметр примерно 42–54 миллиметра. (Обратите внимание, что мы говорим о ширине отверстия в монтажном фланце, а не о расстоянии монтажного фланца перед плоскостью сенсора/пленки, которое называется регистрационным расстоянием.) С другой стороны, при 200 мм Для диафрагмы f/2.8 требуется входной зрачок шириной примерно 71,4 мм. Это требует, чтобы объектив был значительно больше в диаметре, чем отверстие в монтажном фланце.

Мало того, что оправа объектива и все части объектива, которые окружают оптический путь, должны быть больше и, следовательно, требуют большего количества исходного материала, из которого они сделаны, но и сами оптические элементы также должны быть больше в диаметре. и толще, чтобы сохранить те же углы преломления. Более крупные элементы объектива также вносят больше аберраций, которые необходимо исправить. Часто самые дорогие материалы в линзах - это те, которые используются для изготовления этих корректирующих оптических элементов. Добавление элементов для исправления таких вещей, как хроматическая аберрация, может создать дополнительные проблемы, такие как геометрическое искажение, 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.

Для большинства людей, если им действительно не нужна большая диафрагма, они просто будут носить с собой более легкий и меньший объектив, за который они заплатили намного меньше.

Качество современного зум-объектива является выдающимся, учитывая все производственные проблемы, с которыми приходится сталкиваться. Производителю не хотелось бы ничего лучше, чем поддерживать постоянную максимальную диафрагму на протяжении всего зума. Это легче сказать, чем сделать.

Число f — это отношение. Математически мы делим фокусное расстояние на диаметр рабочей диафрагмы, чтобы вычислить число f. Нам нужно, чтобы это значение было отношением, потому что отношение безразмерно. Другими словами, объектив с диафрагмой f/4 пропускает на пленку или матрицу одинаковую световую энергию независимо от размеров объектива. Например, объектив 100 мм с апертурой диаметром 25 мм работает при f/4. Эта навеска обеспечивает такую ​​же яркость изображения, как система астрономических телескопов с фокусным расстоянием 4000 мм и рабочей апертурой 1000 мм. Оба выставляют один и тот же вид.

Нам нужна система чисел f, потому что она убирает хаос. Любой объектив, для которого задано то же число f, что и для любого другого объектива, обеспечивает одинаковую яркость изображения. Это связано с тем, что фокусное расстояние и диаметр диафрагмы взаимосвязаны. По мере увеличения масштаба изображение тускнеет. Подумайте о перемещении проектора все дальше и дальше от белой стены. По мере того, как проектор отодвигается от стены, проецируемое изображение на стене становится больше, а поскольку свет должен охватывать большую площадь поверхности, изображение становится тусклее. То же самое с зум-объективом.

Каким-то образом производитель объектива должен компенсировать это, иначе постоянное число f не может поддерживаться на протяжении всего зума. Большинство зумов не могут поддерживать постоянное число f. Это становится слишком дорогим в производстве, и продажи будут потеряны, потому что вы вытеснили себя с рынка.

Как поддерживать постоянное число f во всем увеличении? Ирисовая диафрагма установлена ​​за подвижной группой линз. Передняя группа действует как лупа, заставляя видимый диаметр радужной оболочки выглядеть больше, если смотреть спереди. Такое расположение позволяет все большему количеству света проходить через радужную оболочку по мере увеличения увеличения объектива. Такое размещение и действие передних элементов объектива вызывает искажения и аберрации, которые необходимо исправить. Для этой коррекции требуются сложные элементы объектива, которые должны перемещаться с высокой точностью. Это увеличивает стоимость. Суть в том, что зум с постоянной апертурой делать очень дорого.

Независимо от того, имеет ли зум-объектив постоянную диафрагму или переменную диафрагму, во-первых, это связано с конструкцией, а во-вторых, с механическими факторами, такими как открытие или закрытие диафрагмы.

Зум-объектив работает за счет перемещения некоторых элементов для изменения фокусного расстояния. Это работает из-за уравнения для фокусного расстояния толстой линзы:

(1) Фи = фи_1 + фи_2 - (t/n)*фи_1*фи_2

(2) EFL = 1/Phi

Где Phi — общая оптическая сила толстой линзы, phi_1 и phi_2 — оптическая сила первой и второй поверхностей, t — толщина между ними, а n — показатель преломления линзы. EFL означает эффективное фокусное расстояние , и это то, что в просторечии называют фокусным расстоянием.

Любая оптическая система, содержащая любое количество элементов, может быть точно смоделирована как одна тонкая линза. Это уравнение работает и 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, как и объектив 18-300 мм, установленный на 50 мм.

Вы также можете использовать эту формулу для моделирования двух тонких линз. Пока линзы положительны, вы можете видеть, что, раздвигая их дальше друг от друга, член t/n будет увеличиваться. По мере его роста мощность уменьшается, а фокусное расстояние увеличивается.

В этом суть зум-объектива.

Как только вы вводите апертурную диафрагму в оптическую систему, у вас появляются так называемые входной и выходной зрачки . Входной зрачок — это изображение апертурной диафрагмы, образованное элементами перед ним, а выходной зрачок — изображение апертурной диафрагмы, образованное элементами, находящимися за ним.

Зрачки имеют положение и размер точно так же, как элемент объектива или фактическая диафрагма. f/# объектива может быть аппроксимирована выражением

(3) f/# = EFL/EPD

Где f/# — «соотношение фокусных расстояний», EFL — эффективное фокусное расстояние, а EPD — диаметр входного зрачка.

Вклеим диафрагму посередине двух тонких линз, разделенных воздухом. Если мы увеличим EFL системы линз, переместив линзу впереди вперед, EPD изменится вместе с ней. Если мы увеличим ЭФЛ линзы, сдвинув линзу сзади назад, ЭПР при этом не изменится, так как эта линза никак не влияет на входной зрачок.

Бывает так, что если вы не делаете чрезвычайно большой диапазон увеличения, увеличение диафрагмы, отвечающей за EPD, увеличивается с той же скоростью, что и фокусное расстояние. Поскольку и числитель, и знаменатель (3) изменились на одну и ту же относительную величину, соотношение остается прежним, и, таким образом, наш объектив мог переместиться с 70 мм на 200 мм и сохранить апертуру f/4.

Если бы мы переместили объектив сзади, объектив замедлился бы примерно до f/10 или около того при увеличении с 70 мм до 200 мм.

Современный зум-объектив имеет 3 или 4 группы зума, так что это сложнее, чем это простое объяснение. Если все они находятся перед диафрагмой, это все еще верно. Если большинство из них находятся перед ограничителем диафрагмы, производитель будет стремиться запрограммировать диафрагму на открытие/закрытие во время увеличения объектива и просто изменить 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 два ключевых мотива:

1) Если вы заставляете все масштабирование происходить перед диафрагмой, объектив обязательно будет длиннее, чем если бы он мог масштабировать с обеих сторон.

2) Хорошо скорректированную линзу сконструировать легче, если можно изменить положение элементов с обеих сторон.