Cuando hace zoom con una lente en una SLR, ¿por qué la lente entra y luego sale?

No existe una relación simple entre la longitud física de la lente y su distancia focal. Por ejemplo, un gran angular de retroenfoque suele ser más largo que su distancia focal, mientras que un teleobjetivo es más corto que su distancia focal. Dentro de un zoom, tiene varios grupos de lentes que se mueven de forma independiente. La distancia focal del zoom depende de las posiciones relativas de los grupos y no siempre está simplemente relacionada con la longitud física de la lente. Dicho esto, la explicación más simple posible para este comportamiento es que su zoom puede tener un diseño de retroenfoque simple.

Zoom de retroenfoque

Un zoom de retroenfoque está hecho de solo dos grupos. El grupo frontal, de potencia de refracción negativa y distancia focal (negativa) f ₁ , crea una imagen intermedia virtual del objeto en algún lugar frente a la lente. Este grupo funciona de manera muy similar a las gafas que usan las personas miopes: acerca el objeto “a los ojos”. La distancia focal de este grupo es cercana a -35 mm.

El grupo trasero, de poder refractivo positivo, realiza sobre el sensor una imagen real invertida de esta imagen virtual intermedia. La imagen intermedia es el “objeto” para este grupo. La imagen final es como una copia invertida de la imagen virtual, escalada por un factor de aumento m ₂ cercano a -1, que es negativo porque la imagen final está invertida.

Suponiendo que el objeto está en el infinito, toda la lente tiene una distancia focal f  =  f ₁ × m ₂ . Este es un producto de dos números negativos, y el resultado es positivo.

En el dibujo simplificado anterior, el primer grupo es la lente L1, el segundo grupo es la lente L2, el zoom está enfocado al infinito, la imagen intermedia está a la izquierda, a una distancia x de L2, y el sensor está en P El aumento de L2 es m ₂ =- x '/ x .

Con este diseño, es fácil hacer zoom en la lente moviendo el segundo grupo. Cuando este grupo está más cerca del sensor, proporciona una pequeña ampliación (digamos alrededor de -0,5) y, por lo tanto, una distancia focal más corta para toda la lente. Cuando se mueve hacia adelante, más cerca de la imagen intermedia, tiene un mayor aumento (digamos alrededor de -1,6) y, por lo tanto, una distancia focal más larga para toda la lente.

Sin embargo, a medida que cambia la ampliación de este grupo, cambia la distancia entre el objeto (en este caso, la imagen intermedia) y la imagen final. Esta distancia es mínima cuando el grupo está justo entre su objeto y su imagen, lo que sucede cuando el aumento es -1. Puedes comprobarlo fácilmente utilizando una lupa para enfocar la imagen de una bombilla en una hoja de papel: la distancia entre la bombilla y la imagen enfocada es mínima cuando la imagen tiene el mismo tamaño que el objeto. En el caso del zoom, dado que la imagen final tiene que caer en una posición fija (sobre el sensor), la imagen intermedia tiene que moverse moviendo el grupo frontal. Esto explica el comportamiento observado del grupo frontal: al acercar la lente de 18 mm a ~35 mm, el aumento m ₂va de ~-0.5 a -1 y el grupo frontal se acerca al sensor. A medida que hace zoom desde allí a 55 mm, m ₂ pasa de -1 a ~-1,6 y el grupo frontal se aleja del sensor.

Ejemplo 1

Este es solo un modelo teórico (sobre)simplificado para un zoom donde cada grupo es solo una lente delgada. Las distancias focales de los grupos son -35 mm (grupo frontal) y +35 mm (grupo posterior). Suponiendo un objeto en el infinito, calculé las configuraciones del zoom para tres distancias focales. La siguiente tabla muestra las posiciones de los elementos de la lente (en mm desde el sensor) en función de la distancia focal a la que está ajustado el zoom:

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

Y aquí hay un dibujo, a escala:

El sensor está a la derecha. La imagen intermedia (no dibujada) está 35 mm a la izquierda del elemento frontal. Lo interesante es que los movimientos de los grupos (tanto delantero como trasero) coinciden con lo que he visto en la mayoría de zooms pequeños de gama media. Un zoom real puede tener más grupos (se ha mencionado IS), pero solo se necesitan dos para la acción de zoom.

Ejemplo 2

Para ver un ejemplo más realista, consulte esta patente de algunos zooms Nikon 1 . No es el mejor ejemplo porque estos lentes están destinados a una cámara sin espejo. Sin embargo, una de las realizaciones es un zoom de rango medio de 10-30 mm (equivalente a 27-81), un rango bastante cercano a un 18-55 para 1,6 aumentos.

Sin embargo, me gusta este ejemplo debido a las cifras. Fíjese en la figura de la página 1 y, más concretamente, en las flechas de la parte inferior, debajo de las etiquetas “G1” y “G2”. Estas flechas muestran la forma en que se mueven los grupos cuando se amplía el objetivo de gran angular (W) a teleobjetivo (T). Puede ver que el grupo delantero se mueve hacia atrás y luego hacia adelante, mientras que el segundo grupo se mueve monótonamente hacia adelante. Eso es lo que he visto en muchos zooms gran angular y medio, aunque no en todos (no en el Nikkor 18-70 por ejemplo). Puede notar que el segundo grupo tiene algunos subgrupos, incluido un grupo para enfoque (Gf) y un grupo para estabilización de imagen (Gs). Sin embargo, estos subgrupos son irrelevantes cuando se considera solo la acción de zoom.

De todos modos, lo interesante aquí es que, aunque algunos de los ejemplos proporcionados tienen tres grupos de lentes, la mayoría (incluida la "realización preferida") solo tienen dos. Citando la patente (párrafo 077 en la página 67):

Un sistema óptico según la presente realización incluye, en orden desde el lado del objeto, un primer grupo de lentes que tiene un poder de refracción negativo y un segundo grupo de lentes que tiene un poder de refracción positivo.

Esta es exactamente la descripción de una lente de retroenfoque.

Ejemplo 3

Aquí hay otra patente de Nikon que puede ser más relevante ya que describe principalmente el tipo de zoom 18-55 APS-C.

Los ejemplos 1 y 2 de esta patente son para un diseño de retroenfoque tan simple, con un grupo frontal de distancia focal -31,51 mm y un grupo trasero de distancia focal +37,95 mm. De las tablas de datos vemos que, a medida que hace zoom con la lente de 18 a 55 mm, el grupo frontal se mueve primero hacia atrás (hacia el sensor) y luego hacia adelante (alejándose del sensor) mientras que el grupo trasero se mueve monótonamente hacia adelante.

Esta patente también muestra que el diseño simple de dos grupos que describo aquí no es la única opción posible. Considere el ejemplo 5 de esta patente. Esta lente tiene cuatro grupos que se mueven todos de diferentes maneras a medida que se amplía la lente. Al hacer zoom de 18 a 55 mm, el grupo delantero se mueve hacia atrás, luego hacia adelante y el grupo trasero se mueve monótonamente hacia adelante. Así, visto desde fuera, parece el diseño simple de dos grupos del ejemplo 1, aunque internamente es bastante más complejo.

Por otro lado, este diseño en particular en realidad no está tan lejos del diseño retrofocus simple. Si decimos que los grupos 2, 3 y 4 constituyen una especie de “supergrupo”, entonces la lente puede describirse como un grupo (G1) de poder refractivo negativo seguido del supergrupo (G234) de poder refractivo positivo. Todavía una especie de retroenfoque. Esta descripción no es del todo irrazonable ya que los grupos 2, 3 y 4 se mueven más o menos de la misma manera: todos se mueven monótonamente hacia adelante a medida que la lente se amplía de gran angular a teleobjetivo, y su movimiento promedio es mayor que los movimientos relativos entre ellos. A partir de la tabla de datos de lentes, calculé la distancia focal de este supergrupo y descubrí que no cambia mucho: solo de 38,6 mm en el extremo gran angular del zoom a 34,8 mm en el extremo del teleobjetivo.

Aunque solo he investigado algunas patentes, mi conclusión es que es probable algún tipo de diseño de retroenfoque (pero no necesariamente con solo dos grupos) en un zoom si se cumplen las siguientes tres condiciones:

• la lente es más larga que su distancia focal en todos los ajustes
• cuando se hace zoom de gran angular a teleobjetivo, el elemento frontal se mueve primero hacia atrás (más cerca del sensor) y luego hacia adelante
• cuando se hace zoom de gran angular a teleobjetivo, el elemento trasero siempre se mueve hacia adelante.

Es probable que la primera condición se cumpla siempre con zooms SLR que tengan una distancia focal máxima de no más de 55 mm.

PD: esta respuesta se ha editado en gran medida para fusionar mejor varias ediciones. En el proceso incorporé un punto importante planteado por Stan Rogers, a saber, que el diseño simple no es el único diseño posible.

Ver nota de edición debajo de esta respuesta.

La lente es retrofocal en el extremo ancho y teleobjetivo en el extremo largo. Una lente de retroenfoque se denomina "teleobjetivo invertido" porque está construida de manera similar a un teleobjetivo con los elementos invertidos. El efecto disminuye a medida que se acerca, hasta llegar a unos 35 mm, momento en el que la lente comienza a extenderse y eventualmente se convierte en una configuración de teleobjetivo, donde el tamaño de la lente, desde el elemento frontal hasta el elemento posterior, es menor que la distancia focal. La lente no es ni retrofocal ni teleobjetivo entre estas posiciones. Esto da como resultado que la lente sea más larga en los extremos del rango del zoom que en las posiciones intermedias.

Esto es esencialmente lo que está sucediendo con su lente de 18-55 mm. Hasta donde yo sé, los objetivos de 18-55 mm de Canon, Nikon, Pentax y Sony (montura A, no montura E) comparten este aspecto de diseño.

Editar: esta respuesta es incorrecta porque se basa en una definición incorrecta de "teleobjetivo". Por favor ignore esta respuesta; Es probable que la respuesta de Edgar Bonet sea correcta. Consulte https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

Con la mayoría de los diseños de lentes con zoom, a medida que se acerca, el cuerpo del lente y el elemento frontal se extenderán, eso es cierto.

Pero hay algunos lentes como el Canon EF 24-70 donde el lente está completamente extendido a 24 mm y completamente retraído a 70 mm. Entonces, a juzgar por los elementos frontales, ¡parece estar funcionando al revés!

Y hay lentes IZ (zoom interno) donde el elemento frontal no se mueve en absoluto.

Cualquier lente tendrá muchos grupos de elementos, algunos de los cuales se moverán hacia "fuera" y otros hacia "adentro". Supongo que la respuesta simple es que no puedes juzgar solo por lo que ves que hacen el barril y el elemento frontal, hay mucho más en el interior. Algunos diseños de lentes son muy complicados. Estaré muy interesado si alguien puede publicar una imagen simple para explicar cómo funciona este diseño de lente en particular.