¿Cómo funcionan los objetivos con zoom de apertura constante?

En realidad, hay una diferencia bastante fundamental en el diseño. El diafragma (la parte que forma la apertura) en casi cualquier lente está en algún lugar alrededor del medio de la lente. En un zoom de apertura fija, solo los elementos detrás del diafragma se mueven para hacer el zoom. En un zoom de apertura variable, los elementos que están detrás y delante de la apertura se mueven para hacer el zoom.

Al menos en el caso habitual, el diámetro de la apertura no cambia al hacer zoom. Esto es bastante fácil de verificar: tome fotografías con diferentes relaciones de zoom y apertura máxima con algunas luces desenfocadas. Al menos con su lente de zoom típica, las luces desenfocadas permanecerán redondas en todas las distancias focales, lo que indica que la apertura permanece completamente abierta (donde es redonda). Detenga la lente unas pocas paradas y comenzará a ver la forma del cierre de las hojas de apertura (aunque las lentes con muchas hojas, especialmente las redondeadas, retendrán reflejos casi redondos un poco más que otras).

Cuando/si los elementos en frente de la apertura se mueven durante el zoom, está cambiando la distancia focal (efectiva) de esa parte de la lente. Luego, está transmitiendo luz a través de una apertura de diámetro fijo, lo que significa que el f / stop (efectivo) cambia. Dado que solo se ve afectado por el cambio en la distancia focal efectiva de los elementos frente al diafragma, el cambio (generalmente) no se correlaciona exactamente con el cambio en la distancia focal efectiva general: mover los elementos detrás del diafragma cambia la distancia focal efectiva. longitud sin cambiar la apertura efectiva (por ejemplo, mi 28-135 tiene un rango de zoom de casi 5:1, pero la apertura solo cambia de f/4.0 af/4.5).

Tienen ópticas diferentes y, por lo general, son lentes sustancialmente más grandes para el mismo rango focal (compare un 70-200 mm f/2.8 con un 70-300 mm f/4.5-5.6 y vea que este último es pequeño en comparación). Para obtener la apertura constante en el extremo largo, debe tener un cañón más grande porque la apertura es una relación frente a la distancia focal. Sin embargo, si haces los cálculos para tus ejemplos:

18 mm f/3,5 significa una apertura de 5,14 mm 55 mm f/5,6 significa una apertura de 9,82 mm

17 mm f/4,0 significa una apertura de 4,25 mm 40 mm f/4,0 significa una apertura de 10 mm

Está claro que el diámetro físico de la apertura puede ser mayor en ambos casos. Entonces, en cualquier caso, teorizaría que en el extremo más amplio debería poder ser f / 2.0 o más o menos y su escenario de bolsa de arena se aplicaría a ambos. Por otro lado, para este último, la óptica puede simplificarse y, por lo tanto, acercarse a la mejor calidad en el resultado. Entonces... compensaciones.

En cualquier caso, los zooms tienen una construcción bastante compleja involucrada, mucho más de lo que lo haría una lente principal, por lo que hay muchas consideraciones sobre la corrección óptica en varias distancias focales, el efecto de la apertura en esa corrección, etc. Puede ser, dado el diseño de la lente y los costos asociados, que intentar ensancharla en el extremo corto resulte en una blandura enormemente inaceptable en la imagen o alguna otra forma de aberración.

Finalmente, con certeza hay diferentes construcciones ópticas entre los dos. Diablos, hay diferentes construcciones ópticas entre lentes de la misma configuración pero de diferentes fabricantes. Todo se reduce a la relación costo-beneficio y, al final, qué precio pagará el mercado por una lente de una construcción determinada.

En pocas palabras, la relación f/4.0 significa que el tamaño efectivo de la apertura es la distancia focal dividida por 4; para un 600 mm f/4.0 esto no significa que haya literalmente un orificio de 150 mm donde están las hojas de apertura, solo que la lente se comporta como si lo hubiera. (si observa el diseño de la Canon 600 f/4.0, está claro que no hay espacio para una apertura de 150 mm en el medio de la lente).

Este es el principio detrás de las lentes de apertura constante, el tamaño de la apertura virtual cambia a lo largo del rango del zoom, a pesar de que la apertura física permanece claramente del mismo tamaño.

Todos los zooms cambian el tamaño de la apertura virtual o efectiva mientras se hace zoom, la "apertura constante" (relación f realmente constante) simplemente cambia la apertura lo suficiente como para mantener la misma relación entre la apertura y la distancia focal. El diseño de lentes de "apertura constante" no es radicalmente diferente, solo el grado en que cambia la apertura aparente.

Para robar los números de la respuesta de John (para evitar tener que volver a calcularlos), el tamaño de las aperturas virtuales para las dos lentes mencionadas es:

Canon EF-S 18-55 mm f/ 3,5-5,6 5,14 mm a 18 mm - 9,82 mm a 55 mm

Canon EF 17-40 mm f/4.0 4,25 mm @ 17 mm - 10 mm @ 40 mm

Si la óptica en el 18-55 hiciera que la apertura virtual fuera de 15 mm en el extremo largo, sería una lente de apertura constante (@f/3.5), sin embargo, esto sería muy costoso debido al rango de zoom [relativamente] grande, por lo que como una lente barata sigue siendo f/5.6

No hay bolsas de arena en la lente de apertura constante, en el extremo ancho la lente se esfuerza al máximo, ¡solo que ha sido diseñada para comportarse más rápido en el extremo largo!

Mi pregunta es: ¿estos buenos lentes son una bolsa de arena en los ajustes más amplios o tienen un sistema óptico diferente que les permite mantener la misma apertura en todo el rango del zoom?

Recuerde que cuando usa un número f para representar la apertura, se expresa como una fracción de la distancia focal, por lo que al hacer zoom, el mismo diámetro efectivo de apertura se representa como un número diferente. f/2.8 a 20 mm es la mitad del diámetro efectivo de apertura de f/2.8 a 40 mm. Por lo tanto, su zoom de apertura constante en realidad no "mantiene la misma apertura en todo el rango del zoom" como tal. De hecho, un zoom de 18-55 que mantiene el mismo diámetro efectivo de apertura en todo el rango del zoom sería algo así como f/3,5-10,7.

Por lo tanto, ningún tipo de lente de zoom realmente mantiene el mismo diámetro efectivo de apertura. Tenga en cuenta que el diámetro efectivo tampoco es necesariamente el diámetro real del anillo de apertura, ya que parte del efecto de zoom es que el propio anillo de apertura se amplía. Pero el diámetro efectivo es lo relevante .

Los diseñadores de lentes luchan para resolver una serie de problemas que incluyen la aberración cromática, la distorsión, la nitidez y el viñeteado. Con una lente de zoom, esto es aún más difícil porque tienen que resolver estos problemas no solo en una sola distancia focal sino en todo el rango de zoom. Sin embargo, todos los diseños de lentes hacen concesiones simplemente porque hay muchas fuerzas opuestas. Para una lente de zoom, los diseñadores de lentes deciden con qué apertura pueden salirse con la suya en cada distancia focal en el rango de zoom, sin demasiado suavizado u otros problemas como el viñeteado.

Es deseable que una lente de zoom tenga un diámetro efectivo de apertura mucho más amplio en el extremo del teleobjetivo que en el extremo ancho, porque a medida que se amplía la imagen, se necesita más luz para que la misma cantidad caiga sobre el sensor/película. Es decir, necesita que sea mucho más ancho solo para alcanzar el mismo número f.

Los zooms más baratos a menudo comprometen más la velocidad en el teleobjetivo que los más caros.

Los zooms de apertura constante como el Canon EF 17-40mm f/4.0 L que mencionaste hacen un compromiso diferente; pusieron mucho más esfuerzo en obtener una apertura efectiva más amplia en el extremo del teleobjetivo. Sin embargo, como resultado, usan más vidrio y crean una lente más pesada. Dado que todo es un compromiso también, no quieren esforzarse en obtener una apertura más amplia en el extremo del teleobjetivo para aumentar la suavidad o el viñeteado en el extremo ancho, lo que limita la apertura máxima del extremo ancho. Por lo tanto, obtiene un equilibrio diferente de tamaños de apertura en comparación con la "variable" más barata y liviana (en realidad, menos variación en términos de diámetro de apertura real) zoom de apertura y todo lo que realmente depende es qué tipo de compensaciones se han hecho en el diseño de la lente.

Estoy de acuerdo con la evaluación del usuario 86418 de que la respuesta de Jerry Coffin tiene esto al revés, aunque a su vez parece haber combinado la apertura numérica con ƒ/número.

Citando a outdoorphotographer.com

En un zoom de apertura variable... los elementos delante y detrás del diafragma se mueven (y el propio diafragma se mueve), por lo que la pupila de entrada no varía en proporción a la ampliación, y el número ƒ cambia a medida que amplía el zoom. lente. (Nota: algunos zooms también pueden cambiar el diámetro de apertura física durante el zoom).

Hay una serie de "fórmulas" de lentes de zoom, pero básicamente un telezoom cambia la ampliación (distancia focal) moviendo elementos frente al diafragma de apertura.

El sitio de Pierre Toscani proporciona diagramas ópticos detallados de un zoom de apertura constante:

Es cuestión de tener la combinación correcta de elementos cóncavos y convexos para reducir la pérdida de luz en todo el rango del zoom. Si bien el f/4.0 puede parecer que te engañan con la apertura más rápida, es más el resultado de obtener una imagen tan nítida sin aberración cromática mientras mantienes una sincronización e iluminación constantes en todo el zoom y el rango focal.

Canon tiene muy buena literatura que explica todo esto, junto con cómo se utiliza la difracción óptica en algunos de sus lentes más nuevos para contrarrestar todas las desventajas anteriores de la óptica normal. Lo publicaré tan pronto como lo encuentre de nuevo.

Curiosamente, la respuesta aceptada (actualmente) es completamente incorrecta. O eso, o su terminología de "antes de la apertura" y "detrás de la apertura" se ve desde el lado del sensor (lo que no tendría mucho sentido) en lugar de la lente frontal.

La pupila de entrada, la imagen de la apertura de apertura vista a través de la lente frontal, tiene un diámetro proporcional a la distancia focal cuando se hace zoom con un número de apertura constante (que es con lo que trabajan los fotógrafos y que suele corresponder al tamaño de apertura de la apertura física cuchillas). Obviamente, este cambio del tamaño aparente requiere un cambio en los elementos de la lente entre la apertura y la lente frontal. Este cambio será suficiente para afectar el cambio deseado en la distancia focal en un número de apertura constanteen diseños simples; sin embargo, un objetivo zoom moderno contiene bastantes más elementos además de los responsables de determinar la distancia focal: también están involucrados muchos elementos correctivos. Que alguno de los grupos traseros se mueva además de los grupos delanteros es una cuestión de receta óptica exacta.