Когда вы увеличиваете объектив на зеркальной фотокамере, почему объектив то входит, то выходит?

Между физической длиной объектива и его фокусным расстоянием нет простой зависимости. Например, широкоугольный ретрофокус обычно длиннее его фокусного расстояния, а телеобъектив короче его фокусного расстояния. Внутри зума у ​​вас есть несколько групп линз, которые движутся независимо друг от друга. Фокусное расстояние зума зависит от взаимного расположения групп и не всегда просто связано с физической длиной объектива. При этом самое простое возможное объяснение такого поведения состоит в том, что ваш зум может иметь простую конструкцию с ретрофокусом.

Зум с ретрофокусом

Ретрофокусный зум состоит всего из двух групп. Передняя группа с отрицательной преломляющей силой и (отрицательным) фокусным расстоянием f ₁ создает виртуальное промежуточное изображение объекта где-то перед линзой. Эта группа работает так же, как очки, которые носят близорукие люди: она приближает объект к глазу. Фокусное расстояние этой группы близко к -35 мм.

Задняя группа с положительной преломляющей силой создает на датчике перевернутое реальное изображение этого промежуточного мнимого изображения. Промежуточное изображение является «объектом» для этой группы. Окончательное изображение похоже на перевернутую копию виртуального изображения, масштабированного с коэффициентом увеличения m ₂ близким к -1, который является отрицательным, поскольку окончательное изображение перевернуто.

Предполагая, что объект находится в бесконечности, вся линза имеет фокусное расстояние f  =  f ₁ × m ₂ . Это произведение двух отрицательных чисел, и результат положительный.

На приведенном выше упрощенном рисунке первая группа — это объектив L1, вторая группа — это объектив L2, трансфокатор сфокусирован на бесконечность, промежуточное изображение находится слева, на расстоянии x от L2, а сенсор находится на P Увеличение L2 равно m ₂ = -x '/ x .

При такой конструкции легко масштабировать объектив, перемещая вторую группу. Когда эта группа находится ближе к датчику, она обеспечивает небольшое увеличение (скажем, около -0,5) и, следовательно, более короткое фокусное расстояние для всего объектива. Когда он перемещается вперед, ближе к промежуточному изображению, вы получаете более высокое увеличение (скажем, около -1,6) и, следовательно, большее фокусное расстояние для всего объектива.

Однако при изменении увеличения этой группы изменяется расстояние между объектом (в данном случае промежуточным изображением) и окончательным изображением. Это расстояние минимально, когда группа находится как раз между своим объектом и своим изображением, что происходит, когда увеличение равно -1. Вы можете легко проверить это, используя увеличительное стекло, чтобы сфокусировать изображение лампочки на листе бумаги: расстояние между лампочкой и сфокусированным изображением минимально, когда изображение имеет тот же размер, что и объект. В случае с зум-объективом, поскольку конечное изображение должно попасть в фиксированное положение (на датчик), промежуточное изображение должно перемещаться за счет перемещения передней группы. Это объясняет наблюдаемое поведение передней группы: при увеличении объектива от 18 мм до ~35 мм увеличение m ₂изменяется от ~-0,5 до -1, а передняя группа приближается к датчику. Когда вы увеличиваете масштаб до 55 мм, m ₂ изменяется от -1 до ~-1,6, а передняя группа удаляется от сенсора.

Пример 1

Это всего лишь теоретическая (слишком) упрощенная модель зума, где каждая группа — это просто тонкая линза. Фокусные расстояния групп составляют -35 мм (передняя группа) и +35 мм (задняя группа). Предполагая, что объект находится в бесконечности, я рассчитал конфигурации зума для трех фокусных расстояний. В таблице ниже показано положение элементов объектива (в мм от сенсора) в зависимости от фокусного расстояния, на которое установлено масштабирование:

┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│   18 mm   │  121.1  │    53   │
│   35 mm   │  105    │    70   │
│   55 mm   │  112.3  │    90   │
└───────────┴─────────┴─────────┘

А вот рисунок в масштабе:

Датчик справа. Промежуточное изображение (не нарисовано) находится на 35 мм левее переднего элемента. Интересно то, что движения групп (как спереди, так и сзади) совпадают с тем, что я видел на большинстве небольших зумов среднего диапазона. В реальном зуме может быть больше групп (упоминалось IS), но для действия зума действительно нужны только две.

Пример 2

Более реалистичный пример см. в этом патенте на некоторые зумы Nikon 1 . Это не лучший пример, потому что эти объективы предназначены для беззеркальной камеры. Однако одним из вариантов является зум среднего диапазона 10–30 мм (27–81 экв.), довольно близкий по диапазону к 18–55 для 1,6×.

Мне нравится этот пример из-за цифр. Пожалуйста, взгляните на рисунок на странице 1, а точнее на стрелки внизу, под метками «G1» и «G2». Эти стрелки показывают, как перемещаются группы при увеличении объектива от широкоугольного (W) до теле (T). Вы можете видеть, что передняя группа движется назад, а затем вперед, в то время как вторая группа движется монотонно вперед. Это то, что я видел на многих широкоугольных и средних зумах, хотя и не на всех (например, на Nikkor 18-70). Вы можете заметить, что среди второй группы есть несколько подгрупп, в том числе одна группа для фокусировки (Gf) и одна группа для стабилизации изображения (Gs). Однако эти подгруппы не имеют значения, если рассматривать только действие масштабирования.

В любом случае, интересно здесь то, что, хотя некоторые из представленных примеров имеют три группы линз, большинство (включая «предпочтительный вариант») имеют только две. Цитата из патента (пункт 077 на странице 67):

Оптическая система согласно настоящему варианту осуществления включает в себя, по порядку со стороны объекта, первую группу линз, имеющую отрицательную силу преломления, и вторую группу линз, имеющую положительную силу преломления.

Это точно описание ретрофокусного объектива.

Пример 3

Вот еще один патент от Nikon , который может быть более актуальным, поскольку он в основном описывает зумы APS-C типа 18-55.

Примеры 1 и 2 этого патента относятся к такой простой конструкции ретрофокуса, с фокусным расстоянием передней группы -31,51 мм и фокусным расстоянием задней группы +37,95 мм. Из таблиц данных мы видим, что при зуммировании объектива от 18 до 55 мм передняя группа движется сначала назад (к датчику), а затем вперед (от датчика), а задняя группа монотонно движется вперед.

Этот патент также показывает, что простая конструкция с двумя группами, которую я здесь описываю, не является единственно возможным вариантом. Рассмотрим пример 5 этого патента. Этот объектив имеет четыре группы, которые перемещаются по-разному при увеличении объектива. При увеличении от 18 до 55 мм передняя группа движется назад, затем вперед, а задняя группа монотонно движется вперед. Таким образом, внешне она выглядит как простая двухгрупповая конструкция примера 1, хотя внутренне она несколько сложнее.

С другой стороны, этот конкретный дизайн на самом деле не так уж далек от простого ретрофокусного дизайна. Если мы скажем, что группы 2, 3 и 4 составляют своего рода «супергруппу», то линзу можно описать как группу (G1) с отрицательной оптической силой, за которой следует супергруппа (G234) с положительной оптической силой. Все-таки какой-то ретрофокус. Это описание не совсем необоснованно, так как группы 2, 3 и 4 движутся более или менее одинаково: все они монотонно движутся вперед по мере увеличения объектива от широкоугольного до телеобъектива, и их среднее перемещение больше, чем относительные перемещения между ними. Из таблицы данных объективов я вычислил фокусное расстояние этой супергруппы и обнаружил, что оно не сильно меняется: всего от 38,6 мм на широком конце зума до 34,8 мм на теле-конце.

Хотя я исследовал только несколько патентов, я пришел к выводу, что какой-то дизайн с ретрофокусом (но не обязательно только с двумя группами), скорее всего, подойдет для зума, если выполняются следующие три условия:

• объектив длиннее своего фокусного расстояния при всех настройках
• при зуммировании с широкого на теле передний элемент перемещается сначала назад (ближе к сенсору), а потом вперед
• при изменении масштаба от широкоугольного до телеобъектива задний элемент всегда перемещается вперед.

Первому условию, скорее всего, всегда будут соответствовать зеркальные зумы с максимальным фокусным расстоянием не более 55 мм.

PS: этот ответ был сильно отредактирован, чтобы лучше объединить несколько правок. В процессе я учел важный момент, поднятый Стэном Роджерсом, а именно, что простой дизайн — не единственно возможный.

См. примечание о редактировании ниже этого ответа.

Объектив ретрофокальный на широком конце и телеобъектив на длинном конце. Ретрофокусный объектив называется «перевернутым телеобъективом», потому что он сконструирован аналогично телеобъективу с перевернутыми элементами. Эффект уменьшается по мере увеличения, пока вы не достигнете примерно 35 мм, при котором объектив начинает выдвигаться и в конечном итоге становится конфигурацией телеобъектива, где размер объектива от переднего до заднего элемента меньше фокусного расстояния. Объектив не является ни ретрофокальным, ни телеобъективом между этими положениями. Это приводит к тому, что объектив длиннее в крайних положениях диапазона увеличения, чем в промежуточных положениях.

По сути, это то, что происходит с вашим объективом 18-55 мм. Насколько мне известно, объективы Canon, Nikon, Pentax и Sony (с байонетом A, а не с байонетом E) 18-55 мм имеют этот конструктивный аспект.

Изменить: этот ответ неверен, потому что он основан на неправильном определении «телеобъектива». Пожалуйста, не обращайте внимания на этот ответ; Ответ Эдгара Боне, вероятно, будет правильным. См . https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

В большинстве конструкций зум-объективов при увеличении оправа объектива и передний элемент выдвигаются, это правда.

Но есть некоторые объективы, такие как Canon EF 24-70, где объектив полностью выдвигается на 24 мм и полностью убирается на 70 мм. Так что, судя по передним элементам, похоже, работает и задний ход!

А есть объективы ИЗ (внутренний зум), у которых передний элемент вообще не двигается.

В любом объективе будет много групп элементов, некоторые из которых будут двигаться «вне», а другие — «внутрь». Я полагаю, что простой ответ заключается в том, что вы не можете судить только по тому, что вы видите на стволе и переднем элементе, внутри происходит гораздо больше. Некоторые конструкции линз очень сложны. Мне будет очень интересно, если кто-нибудь сможет опубликовать простую картинку, чтобы объяснить, как работает этот конкретный дизайн объектива.