¿Cómo restringen los objetivos zoom su máxima apertura en el extremo del teleobjetivo?

La pupila de entrada está limitada por el diámetro del elemento frontal, y eso es lo que normalmente restringe la apertura máxima de los teleobjetivos con zoom, 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. La ampliación entre el frente de la lente y la ubicación del diafragma también juega un papel. 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 sencillo, el diámetro de la pupila de entrada se define por la amplitud de la apertura del diafragma cuando se ve a través del frente de la lente .

Cuando las lentes de zoom de apertura constante se mueven para cambiar la distancia focal, lo que normalmente cambia es la ampliación entre la parte frontal de la lente y el diafragma, no el tamaño físico del diafragma. El cambio en el aumento es lo que permite que la pupila de entrada parezca más grande en distancias focales más largas y más pequeña en distancias focales más cortas. Un objetivo de 70-200 mm f/2,8 tiene una pupila de entrada de 25 mm de diámetro a 70 mm y f/2,8. A 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 el frente de la lente.

Tenga en cuenta que este mismo principio suele aplicarse también a los objetivos con zoom de apertura variable. Tomemos, por ejemplo, un objetivo zoom de 18-300 mm f/3,5-5,6. A 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 superior a 53,6 mm de ancho. Tenga en cuenta que la mayoría de los objetivos zoom que alcanzan un máximo de 300 mm y f/5,6 tienen elementos frontales que tienen un diámetro ligeramente superior a los 54 mm. ¡El tamaño necesario de la pupila de entrada es la razón! Si la pupila de entrada a 300 mm tuviera todavía 5,14 mm de ancho como lo es a 18 mm y f/3,5, ¡la apertura máxima a 300 mm sería f/58!

Entonces, ¿por qué no todas las lentes de zoom usan suficiente aumento para permanecer en 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 ese gran diámetro, ya que las bridas de montaje en la mayoría de las cámaras de lentes intercambiables contemporáneas tienen diámetros de aproximadamente 42 a 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 frente al plano del sensor/película, que se conoce como distancia de registro). Por otro lado, a 200 mm una 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.

No solo el cilindro de la lente y todas las partes de la lente que rodean el camino óptico deben ser más grandes y, por lo tanto, requieren mayores cantidades de la materia prima de la que están hechos, sino que los elementos ópticos reales también deben tener un diámetro más grande. 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 de una lente son los que se utilizan 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 la lente completa y muchos de los elementos ópticos del interior deben ser más grandes, sino que también requiere más componentes ópticos fabricados con materiales más caros.

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

La calidad de una lente de zoom moderna es sobresaliente considerando todos los problemas de fabricación encontrados. Nada le gustaría más al fabricante que mantener constante la apertura máxima durante todo el 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 es adimensional. 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 a f/4. Este latigazo ofrece 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 de la misma.

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 distancia focal y el diámetro de apertura están entrelazados. A medida que hace zoom a aumentos cada vez mayores, la imagen se oscurece. 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 una mayor superficie, la imagen se vuelve más tenue. Lo mismo con una lente de zoom.

De alguna manera, el fabricante de lentes debe compensar o no se puede mantener un número f constante durante todo el zoom. La mayoría de los zooms no pueden mantener un número f constante. Se vuelve demasiado costoso de fabricar y las ventas se perderán porque se ha fijado un precio fuera del mercado.

¿Cómo mantener un número f constante durante 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 visto 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 lentes complejos que deben moverse con precisión. Esto se suma al costo. La conclusión es que un zoom de apertura constante es muy costoso de hacer.

Si una lente de zoom tiene una apertura constante o una apertura variable, primero tiene que ver 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/Fi

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 y n es el índice de refracción de la lente. EFL significa distancia focal efectiva y es lo que se conoce coloquialmente cuando se dice distancia focal.

Cualquier sistema óptico que contenga cualquier número de elementos se puede modelar con precisión como una sola 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 sola lente delgada de distancia 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 delgados. Siempre que 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 un tope 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 que tiene delante, y la pupila de salida es la imagen del tope de apertura formado por los elementos que hay detrás.

Las pupilas tienen una posición y tamaño como un elemento de lente o la apertura 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 distancia focal efectiva y EPD es el diámetro de la pupila de entrada.

Peguemos un tope de apertura en 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 moviendo la lente en la parte posterior hacia atrás, la EPD no cambiará con ella, ya que esa lente no afecta la pupila de entrada de ninguna manera.

Sucede que, a menos que haga un rango de zoom extremadamente grande, la ampliación de la parada de apertura responsable de la EPD aumenta al mismo ritmo 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 haber mantenido una apertura de f/4.

Si moviéramos la lente hacia atrás, la lente se habría ralentizado a aproximadamente f/10 al hacer zoom de 70 mm a 200 mm.

Una lente de zoom moderna tiene 3 o 4 grupos de zoom, por lo que es más complicado que esta simple explicación. Si todos ellos están frente al tope de apertura, esto sigue siendo cierto. Si la mayoría de ellos están frente al tope de apertura, el fabricante tenderá a programar el diafragma para que se abra/cierre mientras la lente hace zoom y simplemente engañará al espacio para que se comporte como una lente de apertura constante.

Quizás se pregunte por qué no simplemente poner a todos los grupos frente a la parada y terminar con eso. Hay dos motivaciones clave:

1) Si fuerza que todo el zoom se realice 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 permite alterar la posición de los elementos en ambos lados.