¿Por qué algunas lentes de zoom son "suaves" en cualquier extremo del rango de distancia focal?

Advertencia: esta es otra de mis respuestas de "longitud de libro"... :-)

Comencemos con una revisión rápida de cómo funciona una lente de zoom. Considere el diseño de lente más simple posible: un solo elemento. Un gran problema con una lente de un solo elemento es que la distancia focal de la lente determina la distancia que debe estar el elemento desde el plano de la película/sensor para enfocar una escena, por lo que una lente de 300 mm (por ejemplo) tendría que ser 300 mm de distancia del sensor para enfocar al infinito. Por el contrario, la lente de gran angular necesitaría estar muy cerca del plano/sensor de la película para enfocar en el infinito.

Sin embargo, los diseñadores de lentes pronto descubrieron un truco genial: podían crear una distancia focal efectiva larga colocando un elemento de distancia focal corta en la parte delantera y un elemento negativo (ligeramente más débil) detrás. Con el elemento negativo, la luz golpea el plano de la película exactamente en el mismo ángulo que si hubiera sido refractada por una lente larga. Exagerando un poco (o mucho), obtenemos una sustitución como la siguiente:

Ambos lentes tienen la misma distancia focal efectiva, pero (obviamente) el segundo es físicamente un poco más corto, no tiene que sobresalir tanto del frente de la cámara.

Sin embargo, la línea superior duplicada en el segundo diseño nos lleva a nuestro segundo punto: la aberración cromática. La línea "interior" representa la luz azul que pasa a través de las lentes y la línea "exterior" la luz roja. Debido a su longitud de onda más corta, la luz azul siempre se refracta (dobla) más que la luz roja cuando atraviesa una lente. Sin embargo, dependiendo del vidrio, la diferencia entre la refracción de la luz roja y la azul puede ser bastante grande o relativamente pequeña.

Si elegimos el vidrio correcto para el elemento frontal en comparación con el elemento posterior, podemos lograr aproximadamente lo que se muestra en la imagen: la cantidad de flexión adicional en el elemento frontal se compensa exactamente con la cantidad de flexión adicional en el segundo elemento, por lo que el la luz roja y la azul se enfocan exactamente juntas.

Sin embargo, con una lente de zoom, las cosas no funcionan tan fácilmente. Para obtener una lente de zoom, tomamos el segundo diseño, pero movemos el elemento trasero en relación con el elemento frontal. En este caso, si movemos el elemento frontal hacia adelante, la luz azul se habrá desviado menos de la roja cuando ingresen al segundo elemento, y dado que no hay más espacio detrás del segundo elemento, se doblará más, como un Como resultado, en lugar de enfocarse exactamente juntas, la luz azul terminará "fuera" de la luz roja, lo que aparecerá en la imagen como una aberración cromática.

Por el contrario, si el elemento trasero se vuelve a acercar al sensor, la luz azul se habrá alejado más de la luz roja cuando llegue al segundo elemento. Luego, dado que el segundo elemento está más cerca del sensor, no convergerá con el rojo, por lo que terminará aún "dentro" del rojo cuando llegue al sensor, nuevamente, aberración cromática (pero en la dirección opuesta ).

Si lo dejamos así, los lentes con zoom serían bastante horribles: cada cambio en la distancia focal daría una gran cantidad de CA. Para combatir eso, los elementos se agrupan. En lugar de solo el elemento frontal y el segundo elemento, con uno compensando la CA introducida por el otro, tendría dos grupos de elementos, cada uno de los cuales compensa su propia CA, y mover los grupos entre sí no lo hace. cambiar la CA en absoluto.

Sin embargo, todavía no es tan simple. Es físicamente imposible que un grupo de elementos compense completamente la CA. Un elemento siempre desvía la luz azul en un ángulo mayor que el ángulo en el que desvía la luz roja. En el mejor de los casos, si coloca los elementos muy juntos, puede hacer que la luz roja y azul viajen muy juntas y casi paralelas, pero aún ligeramente separadas. Si los dobla uno hacia el otro, solo convergerán a una distancia exacta; a cualquier otra distancia, terminará con CA en una dirección u otra.

Sin embargo, como ya se señaló, con una lente de zoom, las distancias involucradas deben cambiar. Lo que normalmente hará el diseñador de lentes es tratar de minimizar el CA en el peor de los casos. Hacer eso es bastante fácil (al menos en teoría): mira el rango a través del cual se mueve el elemento trasero y calcula el ángulo que producirá la convergencia exactamente en el medio de ese rango. De esta manera, está dividiendo las cosas, por lo que obtendrá CA en una dirección a medida que el elemento trasero se acerca al sensor, y en la otra dirección a medida que se aleja. Por supuesto, no es solo el elemento trasero, tiene que observar la combinación de todos los movimientos de todos los grupos de elementos (y tener en cuenta la dispersión introducida por cada uno, por supuesto).

Sin embargo, una vez que determina el rango, generalmente minimiza el peor de los casos dividiendo la diferencia, optimizando aproximadamente la mitad del rango, por lo que empeora un poco en cada dirección. La excepción es una lente que se espera que se use principalmente en un extremo o en el otro. En este caso, puede tener sentido optimizar para aproximadamente el rango de uso esperado y vivir con el hecho de que el peor de los casos será peor de lo que realmente debería ser.

Por supuesto, esto también analiza solo uno de los varios factores importantes para el diseño de una lente: el diseñador también debe tener en cuenta (al menos) el coma, el astigmatismo, el viñeteado, la distorsión y la aberración esférica, sin mencionar un algunos detalles menores como el tamaño, el peso, el costo y simplemente poder fabricar una lente real que funcione de la manera en que la diseñó.

Desafortunadamente, también he visto lentes donde las distancias focales centrales son peores, por lo que su suposición no siempre es correcta.

Básicamente, un zoom está hecho de elementos ópticos en movimiento y tienen que moverse entre sí para cambiar la distancia focal de la lente. Los ingenieros ópticos son responsables de optimizar el rendimiento en todo el zoom con un conjunto fijo de piezas en un orden fijo. Puedes imaginar que este es un proceso difícil.

Las extremidades son más vulnerables a los problemas porque los elementos ópticos juntos a menudo funcionan mejor en una posición establecida y cuanto más lejos de esa posición, más lejos está el rendimiento óptimo.

El diseño de la lente de zoom, a diferencia del diseño de la lente principal (distancia focal fija única), tiende a ser bastante complejo. Con una lente principal, es mucho más fácil corregir las aberraciones ópticas como la aberración cromática, la aberración esférica, la distorsión, etc., y así con menos elementos de lente. Cuantos menos elementos de lente (lentes de vidrio individuales se usen en la construcción de una lente de cámara compleja), mejor será la calidad de la imagen, ya que cada pieza de vidrio afectará el enfoque de la luz.

Las lentes con zoom generalmente tienen más elementos de lente que las lentes fijas, a veces considerablemente más. Cuando se trata de distancias focales más amplias, algunas lentes de zoom son más largas que su distancia focal y requieren un grupo "retrofocal" en la parte posterior. Todos estos elementos adicionales de la lente se suman a las aberraciones ópticas, y algunos corrigen las aberraciones de otros elementos de la lente. En una lente de zoom, la corrección óptica debe realizarse de tal manera que produzca la mejor calidad general en todo el rango del zoom, lo que generalmente significa que se debe hacer un compromiso en algún lugar (no puede tener su pastel y comérselo también).

Las lentes de zoom suelen tener puntos "más nítidos" y puntos "más suaves". No siempre está en los extremos del rango focal... a veces está justo en el medio. A veces, el compromiso se produce a costa de la nitidez del "borde" de la imagen frente a la nitidez del "centro", que puede ser peor en una distancia focal que en otra. De cualquier manera, acomodar un rango focal variable requiere un compromiso debido a la complejidad necesaria.

Los lentes de mayor calidad a menudo utilizan ópticas más avanzadas para corregir las aberraciones, generalmente a un costo considerable. Una lente de rango medio puede simplemente usar más lentes para corregir las aberraciones e ignorar cómo cambian las aberraciones a lo largo del rango focal. Una lente profesional de primer nivel tendrá en cuenta la variabilidad en las aberraciones, utilizará ópticas avanzadas como vidrio de alta densidad, vidrio de baja dispersión, elementos de lentes asféricas, elementos de lentes de fluorita, elementos de lentes apocromáticas, grupos correctivos adicionales, etc. para mantener la más alta calidad en toda la focal. rango de una lente de zoom. Todavía se deben hacer compromisos en relación con las lentes principales, sin embargo, el grado de compromiso tiende a ser mucho menor.

Los lentes implican correcciones significativas para anomalías. Estas anomalías se conocen como aberraciones. Hay una variedad de aberraciones, algunas de las más comunes son esférica, astigmatismo, cromática, coma, barril, acerico, curvatura de campo y fuera de foco.

Si no existieran estas aberraciones, el diseño de lentes sería muy fácil. Simplemente coloque una o dos lentes en línea recta y obtendrá una imagen perfecta en todo momento. Pero, sabemos que estas aberraciones existen. Es imposible corregir por completo estas aberraciones, excepto por un solo punto. Cuantas más de estas aberraciones haya, más "suave" se verá una imagen.

Uno puede minimizar la distorsión durante un largo período de tiempo, principalmente haciendo lentes más caros. Los lentes más caros provienen de la fabricación de lentes de forma no esférica, que son más difíciles de fabricar.

Cuanto más te alejes del punto óptimo de la lente, más suave será. Los cambios de longitudes focales, apertura y distancia focal influyen en el punto óptimo. Por lo tanto, cambiar cualquiera de los 3 degradará la calidad. Si la lente es de una calidad lo suficientemente alta, la degradación apenas se notará.