¿Cómo restringen los lentes de zoom su apertura más amplia en el extremo del telefoto?

¿El anillo de apertura bloquea las aberturas más allá, digamos 5.6 en el extremo de teleobjetivo del objetivo? ¿La lente introduce un obstáculo al anillo de apertura para que la lente ya no se pueda abrir más allá de la abertura en el extremo del teleobjetivo?

¿Y por qué las lentes se comportan así, de todos modos? ¿Por qué no tienen aperturas constantes en todo su rango focal?

La pupila de entrada está limitada por el diámetro del elemento frontal, y eso es lo que generalmente restringe la apertura máxima de los lentes de zoom de telefoto, no el tamaño físico del diafragma de apertura.

El tamaño físico del diafragma es solo una parte de lo que determina la apertura máxima, expresada como un número f, de una lente. El aumento entre el frente de la lente y la ubicación del diafragma también juega un papel importante. El número f de una apertura está determinado por la relación de la distancia focal de la lente dividida por el diámetro de la pupila de entrada , a menudo denominada apertura efectiva. En un lenguaje simple, el diámetro de la pupila de entrada se define por el ancho de la abertura del diafragma cuando se ve a través de la parte frontal de la lente .

Cuando las lentes con zoom de apertura constante se mueven para cambiar la distancia focal, el aumento entre la parte frontal de la lente y el diafragma es lo que normalmente cambia, no el tamaño físico del diafragma. El cambio en el aumento es lo que permite que la pupila de entrada parezca más grande a distancias focales más largas y más pequeña a distancias focales más cortas. Una lente de 70-200 mm f / 2.8 tiene una pupila de entrada de 25 mm de diámetro a 70 mm yf / 2.8. Con 200 mm, la pupila de entrada en f / 2.8 tiene un poco más de 71 mm de ancho. El diafragma físico real es del mismo tamaño en ambos casos. Lo que ha cambiado es la cantidad de aumento entre el conjunto del diafragma y la parte frontal de la lente.

Tenga en cuenta que este mismo principio generalmente también está en juego con lentes de zoom de apertura variable. Tome, por ejemplo, una lente con zoom de 18-300 mm f / 3.5-5.6. Con 18 mm, la pupila de entrada para f / 3.5 tiene aproximadamente 5,14 mm de ancho. A 300 mm, la pupila de entrada para f / 5.6 es más de diez veces mayor que 53.6 mm de ancho. Tenga en cuenta que la mayoría de las lentes con zoom que alcanzan un máximo de 300 mm y f / 5.6 tienen elementos frontales que son un poco más grandes que 54 mm de diámetro. ¡El tamaño de pupila de entrada necesario es la razón! Si la pupila de entrada a 300 mm todavía tuviera 5,14 mm de ancho, ya que tiene 18 mm y f / 3.5, ¡la apertura máxima a 300 mm sería f / 58!

Entonces, ¿por qué no todas las lentes con zoom usan suficiente aumento para permanecer a una apertura constante en todo el rango de zoom? Principalmente el costo asociado con el tamaño, el peso y la complejidad adicionales necesarios para producir una lente de apertura constante.

Una pupila de entrada no puede ser mucho más grande que el diámetro del elemento frontal de la lente para una lente con un ángulo de visión estrecho. A 200 mm, una apertura f / 5.6 requiere una pupila de entrada de casi 36 mm de diámetro. La mayoría de las lentes intercambiables actuales tienen al menos un diámetro tan grande ya que las bridas de montaje en la mayoría de las cámaras de lentes intercambiables contemporáneas tienen diámetros de aproximadamente 42-54 milímetros. (Tenga en cuenta que estamos hablando del ancho del orificio en la brida de montaje, no de la distancia de la brida de montaje en frente del sensor / plano de película que se conoce como distancia de registro). Por otro lado, a 200 mm La apertura f / 2.8 requiere una pupila de entrada de aproximadamente 71.4 mm de ancho. Eso requiere que la lente tenga un diámetro significativamente mayor que el orificio en la brida de montaje.

El cuerpo del objetivo y todas las partes del objetivo que rodean el camino óptico no solo deben ser más grandes y, por lo tanto, requieren mayores cantidades de materia prima de la que están hechas, sino que los elementos ópticos reales también deben tener un diámetro mayor. y más grueso para mantener los mismos ángulos de refracción. Los elementos de lente más grandes también introducen más aberraciones que necesitan corrección. A menudo, los materiales más caros en una lente son los utilizados para fabricar estos elementos ópticos correctivos. Agregar elementos para corregir cosas como la aberración cromática puede introducir problemas adicionales, como la distorsión geométrica, que requieren aún más elementos adicionales para corregir. Por lo tanto, no solo toda la lente y muchos de los elementos ópticos del interior deben ser más grandes, sino que también requiere más componentes ópticos hechos de materiales más caros.

Para la mayoría de las personas, a menos que realmente necesiten esa apertura más grande, llevarían una lente más pequeña y liviana por la que pagaron mucho menos.

La calidad de un objetivo zoom moderno es excepcional teniendo en cuenta todos los problemas de fabricación encontrados. Al fabricante no le gustaría nada mejor que mantener la apertura máxima constante a lo largo del zoom. Esto es más fácil decirlo que hacerlo.

El número f es una razón. Matemáticamente dividimos la distancia focal por el diámetro de apertura de trabajo para calcular el número f. Necesitamos que este valor sea una razón porque una razón no tiene dimensiones. En otras palabras, una lente f / 4 pasa la misma energía luminosa a la película o al sensor, independientemente de las dimensiones de la lente. Como ejemplo, una lente de 100 mm con una apertura de 25 mm de diámetro, funciona en f / 4. Esta combinación proporciona el mismo brillo de imagen que un sistema de telescopio astronómico con una distancia focal de 4000 mm con una apertura de trabajo de 1000 mm. Ambos exponen la misma vista igual.

Necesitamos el sistema de números f porque elimina el caos. Cualquier lente configurada con el mismo número f que cualquier otra lente, ofrece el mismo brillo de imagen. Esto se debe a que la longitud focal y el diámetro de la abertura están entrelazados. A medida que se acerca a aumentos cada vez mayores, la imagen se atenúa. Piense en mover un proyector cada vez más lejos de una pared blanca. A medida que aleja el proyector de la pared, la imagen proyectada en la pared se hace más grande y, debido a que la luz debe cubrir más superficie, la imagen se atenúa. Lo mismo con una lente de zoom.

De alguna manera, el fabricante de la lente debe compensar o no se puede mantener un número f constante en todo el zoom. La mayoría de los zooms no pueden mantener un número f constante. Se vuelve demasiado costoso de hacer y las ventas se perderán debido a que se ha excluido del mercado.

¿Cómo mantener un número f constante en todo el zoom? El diafragma del iris se coloca detrás del grupo móvil de lentes. El grupo frontal actúa como una lupa para hacer que el diámetro aparente del iris se vea más grande como se ve desde el frente. Esta ubicación permite que más y más luz transite por el iris a medida que la lente se acerca a aumentos cada vez mayores. Tal colocación y acción de los elementos de la lente delantera inducen distorsión y aberraciones que deben corregirse. Esta corrección requiere elementos de lente complejos que deben moverse con precisión. Esto se suma al costo. La conclusión es que el zoom de apertura constante es muy costoso de hacer.

Si una lente de zoom tiene una apertura constante o una apertura variable tiene que ver primero con el diseño, y en segundo lugar con factores mecánicos como abrir o cerrar un diafragma.

Una lente de zoom funciona haciendo que algunos elementos se muevan para cambiar la distancia focal. Esto funciona debido a la ecuación para la distancia focal de una lente gruesa:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Donde Phi es la potencia óptica total de la lente gruesa, phi_1 y phi_2 son la potencia óptica de la primera y segunda superficie, t es el grosor entre ellas yn es el índice de refracción de la lente. EFL significa longitud focal efectiva y es lo que se conoce coloquialmente al decir longitud focal.

Cualquier sistema óptico que contenga cualquier número de elementos puede modelarse con precisión como una única lente delgada. Esta ecuación también funciona para lentes delgadas, pero el término t / n desaparece, ya que t = 0. Una lente de 50 mm f / 1.8 se puede modelar como una única lente delgada de longitud focal de 50 mm, al igual que una lente de 18-300 mm configurada en 50 mm.

También puede usar esta fórmula para modelar 2 lentes delgadas. Mientras las lentes sean positivas, puede ver que al separarlas más, el término t / n se hará más grande. A medida que crece, la potencia disminuye y la distancia focal aumenta.

Esta es la esencia de un objetivo zoom.

Tan pronto como introduce una parada de apertura en un sistema óptico, tiene lo que se conoce como pupilas de entrada y salida . La pupila de entrada es la imagen del tope de apertura formado por los elementos frente a ella, y la pupila de salida es la imagen del tope de apertura formado por los elementos detrás de ella.

Las pupilas tienen una posición y tamaño al igual que un elemento de lente o la abertura real se detiene. El f / # de una lente se puede aproximar por

(3) f / # = EFL / EPD

Donde f / # es la 'relación focal', EFL es la longitud focal efectiva y EPD es el diámetro de la pupila de entrada.

Peguemos un tope de apertura en el medio de dos lentes delgadas separadas por aire. Si aumentamos la EFL del sistema de lentes moviendo la lente de adelante hacia adelante, la EPD cambiará con ella. Si aumentamos la EFL de la lente moviéndola hacia atrás, la EPD no cambiará con ella, ya que esa lente no afecta la pupila de entrada de ninguna manera.

Resulta que, a menos que haga un rango de zoom extremadamente grande, el aumento de la parada de apertura responsable de la EPD aumenta a la misma velocidad que la distancia focal. Dado que tanto el numerador como el denominador de (3) cambiaron en la misma cantidad relativa, la relación sigue siendo la misma y, por lo tanto, nuestra lente puede haberse movido de 70 mm a 200 mm y mantenido una apertura de f / 4.

Si moviéramos la lente en la parte posterior, la lente se habría reducido a aproximadamente f / 10 más o menos al hacer zoom de 70 mm a 200 mm.

Un objetivo zoom moderno tiene 3 o 4 grupos de zoom, por lo que es más complicado que esta simple explicación. Si todos están delante del tope de apertura, esto sigue siendo cierto. Si la mayoría de ellos se encuentran frente al tope de apertura, el fabricante tenderá a programar el diafragma para que se abra / cierre mientras la lente se acerca y solo hace trampa en el espacio para que se comporte como una lente de apertura constante.

Tal vez se pregunte por qué no solo coloca a todos los grupos al frente de la parada y termina con esto: hay dos motivaciones clave:

1) Si fuerza a que todo el zoom ocurra frente al tope de apertura, la lente es necesariamente más larga que si pudiera hacer zoom en ambos lados.

2) Es más fácil diseñar una lente bien corregida si se le permite alterar la posición de los elementos en ambos lados.