¿El tamaño del sensor importa en el tamaño y el peso de una lente equivalente? ¿Por qué?

¿El tamaño del círculo de la imagen proyectada es importante en el tamaño y el peso de dos lentes con la misma apertura/DOF (diferente número f) y campo de visión (diferente mm)?

Entonces, ¿una lente es (digamos) un campo de visión de 20 mm, f / 2, 20 grados y la otra es un campo de visión de 40 mm, f / 4 de 20 grados? Las dos lentes tienen el mismo campo de visión y la pupila de entrada del mismo tamaño (aproximadamente, apertura). La lente de 40 mm debe ser más larga si los diseños son iguales, pero a escala.

Desde la perspectiva del diseño óptico, los dos no son equivalentes. Una lente de 20 grados f/4 es mucho más fácil de diseñar que una lente de 20 grados f/2, y el aumento de las aberraciones de f/4 a f/2 (para algunas aberraciones, este aumento es 4^8, o 65 000 veces) es mucho mayor que la reducción de las aberraciones geométricas (exactamente 2x) al escalar la distancia focal.

Si no se permite que las lentes toquen el sensor y deben ser más cortas que una cierta longitud, entonces los diseños están restringidos de alguna manera . Si, por ejemplo, el espacio libre de la imagen debe ser superior a 38 mm, como para la montura EF, entonces el diseño de 20 mm es mucho más difícil que el diseño de 40 mm porque es una apertura más rápida y también un teleobjetivo mucho más inverso.

En igualdad de condiciones, ¿será una lente de fotograma completo F4 de 40 mm idéntica en dimensiones y peso a una lente Micro 4/3 F2 de 20 mm? ¿O más grande? ¿O más pequeño? ¿Por qué?

No hay una respuesta única y general a esta pregunta. Permítanme agregar algunos calificativos.

1. El objetivo M4/3 tiene una separación de imagen > 16 mm.
2. El objetivo FF es para montura Sony E o Leica M, con separación de imagen > 18 mm.
3. Las dos lentes deben tener la misma resolución pictórica (por ejemplo, 20 MP, aunque MP es una unidad inapropiada para una lente).

En estas condiciones, la lente M4/3 debe corregirse mejor que la lente FF y, por lo tanto, debería ser un poco más larga, pero probablemente más liviana. Si cambiara las aperturas a f/2.8 y f/5.6, la lente FF probablemente sería factible como un triplete o cosa de 4 elementos. La lente M4/3 puede requerir 5 elementos.

Si empuja las cosas para que ambos estén lejos de un régimen limitado de difracción, por ejemplo, f/1 para M4/3 y f/2 para FF, la lente FF puede agrandarse debido a la restricción de espacio libre. O, más específicamente, la relación entre la restricción de espacio libre y la distancia focal.

Como pregunta secundaria, ¿el diseño de ambas lentes tiene que ser totalmente diferente?

Naturalmente, quieren ser diferentes, pero podrían ser simplemente versiones escaladas entre sí con un rendimiento subóptimo para uno o ambos diseños.

¿O es solo cuestión de cambiar uno o dos elementos de vidrio en la base de la lente para ajustar el tamaño de la imagen proyectada?

Puedes hacerlo, Angenieux lo ofrece para algunos lentes de cine, por ejemplo, este . Te dejo a ti encontrar el precio de esta lente.

En general, el espacio de diseño de "conversión trasera" o "refuerzo de velocidad" está más restringido que la libertad total para permitir que las lentes APS-C y FF sean los diseños distintivos que quieren ser. Para que eso funcione, el amplificador y la lente deben corregirse de forma independiente, y debe esperar que el signo de sus aberraciones sea opuesto y la magnitud sea aproximadamente igual. O bien, el amplificador debe tener una difracción limitada. Esto es bastante difícil de hacer mientras se mantiene un diseño general compacto.

Editar para abordar una nueva pregunta

En la primera parte entendí que las lentes para sensores más pequeños serán más cortas porque el rango focal es más pequeño, pero quizás más pesadas porque se necesita más vidrio para corregir las aberraciones.

Esto es correcto; escalar el diseño focal a la mitad hará que tenga la mitad de la longitud, agregar una lente o dos para limpiar el rendimiento no lo duplicará.

Pero luego, en la segunda parte, dijiste que la lente M4/3 debería ser un poco más larga y probablemente más liviana. ¿Es más largo porque debe emplear un diseño retrofocal que el 40 mm no necesitaba?

Corrija nuevamente: considere la lente de doble gauss, que históricamente se ha utilizado para la mayoría de las lentes SLR de 50 mm, y también para algunas de las de 40 mm f / 2 y 40 mm f / 2.8. La distancia focal es de 50 mm y el elemento trasero de la lente se encuentra a (aproximadamente) 38 mm de la imagen ¹ : el plano principal está en algún lugar dentro de la lente.

En un teleobjetivo, el plano principal generalmente se encuentra delante y fuera del objetivo. En un teleobjetivo inverso, generalmente está fuera y detrás de la lente. En un diseño de retroenfoque "suave", aún puede estar dentro de la lente, pero cerca de la parte posterior.

Si comienza con un diseño tipo doble gauss, el primer paso para mejorar su corrección es dividir (convertir en 2) o combinar (cementar en un doblete) el grupo trasero. Luego el frente, luego haga la parte trasera nuevamente, repita hasta el infinito. Esto estira la lente, y se encontrará con la restricción de espacio libre de la imagen y tendrá que cambiar a una forma de retroenfoque. La forma de retroenfoque es naturalmente más larga que el muy compacto doble gauss.

Dije que la lente M4/3 probablemente sería más liviana porque los fabricantes tienden a usar muchos materiales más livianos en la mecánica de las lentes. Esos son responsables de la mayor parte del peso en una lente como este ejemplo.

¹ montura EF tiene una distancia de brida de 44 mm, pero esto se mide en la superficie plana más grande, no en la punta de la bayoneta. Lentes como el 85 mm f/1.2 colocan elementos tan cerca como la punta de la bayoneta y, por lo tanto, se puede decir que el requisito de espacio libre es de 38 mm.

Pero no entiendo por qué F2.8 es un punto de inflexión tan "mágico".

No hay ningún punto de inflexión mágico en teoría. Pero en la práctica, muchos sistemas de cámara con diferentes diseños de montura de lente e incluso distancias de registro muy diferentes (o distancias focales de brida) tienden a tener casi el mismo diámetro de garganta . El diámetro de la garganta es el ancho del orificio en el medio del anillo al que se une una lente intercambiable.

La razón por la que el diámetro de la garganta es un factor es porque incluso si los lentes solo necesitan pupilas de entrada (la apertura vista a través del frente del lente) más pequeñas que las permitidas por un lente con un diámetro lo suficientemente grande como para cubrir el orificio en el frente de la cámara la lente seguirá siendo un poco más grande en diámetro que el diámetro de la garganta. La necesidad de que el diámetro del cilindro de la lente, al menos en la parte trasera de la lente, sea mayor que el diámetro de la garganta debería ser obvia.

Para los diámetros de garganta típicos de las SLR/DSLR más comunes e incluso de algunos sistemas sin espejo, el diámetro mínimo del cuerpo del objetivo corresponde aproximadamente al diámetro necesario para fabricar un objetivo zoom normal ( un objetivo con una distancia focal que abarca entre aproximadamente 0,65X y 1,5X la diagonal). del formato de película o sensor digital) con una apertura máxima alrededor de f/3.5 o f/4 en el extremo ancho y alrededor de f/5.6 en el extremo largo.

Con lentes de ángulo más amplio, el ángulo de visión es tan importante, si no más, que la apertura máxima para determinar el tamaño mínimo del elemento frontal de una lente. Pero hasta que uno se adentra en el territorio de los ultra gran angular o los teleobjetivos , muchas lentes típicas todavía necesitan elementos frontales del mismo tamaño que el cilindro de una lente lo suficientemente grande como para cubrir la abertura de la garganta de las cámaras para las que están hechas. Para obtener lentes con zoom de apertura constante f/2.8 en el mismo rango de longitud focal, los elementos frontales deben ser más grandes que el tamaño "mínimo" del cuerpo del lente, según lo determina el diámetro de la garganta, de la mayoría de los sistemas de cámara SLR/DSLR/sin espejo.

Esa es una de las razones por las que los lentes del kit tienden a ser 18-55 f/3.5-5.6 para cuerpos cortos de Nikon, Canon, Sony, Pentax, etc. Para una cámara APS-C de 18 mm, el cilindro del objetivo que se necesita para encajar en la montura es lo suficientemente grande, después de que todo lo demás se aprieta allí, para un elemento frontal que da como resultado una pupila de entrada de 18 mm f/3.5, así como una Pupila de entrada de 55 mm f/5.6. Lo mismo ocurre con los teleobjetivos de 70-300 mm f/4-4,6. Los elementos frontales necesarios para tales lentes pueden caber en una lente con un cilindro ligeramente más grande que los diámetros de garganta/anillos de brida de los sistemas intercambiables más comunes.

Como pregunta secundaria, ¿el diseño de ambas lentes tiene que ser totalmente diferente? ¿O es solo cuestión de cambiar uno o dos elementos de vidrio en la base de la lente para ajustar el tamaño de la imagen proyectada?

Bueno, no tienen que ser totalmentediferente. Pero una lente de la misma distancia focal que proyecta un círculo de imagen más grande que otra lente de la misma distancia focal también debe tener un ángulo de visión más amplio en la parte frontal de la lente. Los sensores FF tienen una diagonal de unos 43 mm de longitud. Los sensores APS-C tienen una diagonal de unos 28 mm de longitud. Los 28 mm centrales del círculo de la imagen proyectada por una lente FF tendrán el mismo campo de visión que el círculo de la imagen de 28 mm completo proyectado por una lente APS-C con la misma distancia focal. Las partes del círculo de la imagen proyectadas por la lente FF fuera de los 28 mm centrales serán partes de la escena que no serán capturadas por la parte frontal de la lente APS-C. Esto requiere un elemento frontal más grande para lentes de ángulo más amplio. Allá'

Esta es la razón por la que ve muchos lentes de zoom de ángulo estrecho solo APS-C y muy pocos lentes de teleobjetivo APS-C solo. Los que ves son generalmente 55-200 mm o 55-250 mm. Estos lentes solo APS-C pueden proporcionar el mismo ángulo de visión para un sensor APS-C de 200-250 mm que requiere un lente de 300-400 mm para una cámara FF. Los ahorros de tamaño y peso se basan en la distancia focal menos potente necesaria para obtener el mismo campo de visión.

Pero si el fabricante puede hacer cambios tan mínimos en las lentes evitando esas desventajas, ¿por qué nunca he visto que lancen dos versiones de la misma lente al mismo tiempo, una para APS-C y otra para fotograma completo, como lo hacen para monturas diferentes?

En su mayor parte, las lentes lanzadas por los fabricantes no están abriendo nuevos caminos con respecto a los ángulos de visión y las aperturas máximas. En cambio, son más refinamientos de diseños de lentes anteriores. Para alguien que no esté familiarizado con las ofertas de lentes anteriores y las diferentes distancias focales necesarias para proporcionar el mismo campo de visión en los sistemas de cámara con sensores de diferentes tamaños, las ofertas de lentes correspondientes para cada formato pueden no ser obvias.

Toma el zoom típico de 24-70 mm f/2.8 que ofrecen la mayoría (si no todos) los principales fabricantes de cámaras para sus cámaras FF. El "equivalente" de APS-C en términos de ángulo de visión sería un 17-50 mm f/2.8. Bastantes fabricantes ofrecen lentes FF de 24-70 mm f/2.8 y lentes APS-C de 17-50 mm f/2.8 que tienen diseños muy similares. Otro objetivo FF de gran angular típico es el de 16-35 mm. El "equivalente" de APS-C es un 10-22 mm. Muchos fabricantes ofrecen ambas opciones de lentes. A medida que los ángulos se amplían, el mismo número f se vuelve más difícil y más costoso de mantener, por lo que las lentes APS-C de 10-22 mm tienden a tener aperturas máximas más pequeñas que las lentes más rápidas de 16-35 mm. En el otro extremo de los rangos de longitud focal, una lente APS-C de 55-200 mm ofrece aproximadamente el mismo FoV que una lente 75/80-300 en una cámara FF.