Kiedy powiększasz obiektyw za pomocą lustrzanki, dlaczego obiektyw wchodzi, a następnie gaśnie?

Myślę, że to bardziej kwestia optyki niż fotografii, ale właśnie dostałem lustrzankę z podstawowym obiektywem 18-55. Zauważyłem, że kiedy przechodzę z 18 na 55 lub 55 na 18, obiektyw fizycznie wraca, a następnie fizycznie wraca?

Co się tam dzieje? Pomyślałbym, że jeśli powiększam, obiektyw powinien wychodzić w 100% przypadków, ale obiektyw faktycznie gaśnie, a następnie wraca.

Nie ma prostej zależności między fizyczną długością obiektywu a jego ogniskową. Na przykład szeroki kąt retrofokusa jest na ogół dłuższy niż jego ogniskowa, podczas gdy teleobiektyw jest krótszy niż ogniskowa. Wewnątrz zoomu masz kilka grup soczewek, które poruszają się niezależnie. Ogniskowa zoomu zależy od względnych pozycji grup i nie zawsze jest po prostu związana z fizyczną długością obiektywu. Biorąc to pod uwagę, najprostszym możliwym wyjaśnieniem tego zachowania jest to, że zoom może mieć prostą konstrukcję retrofocus.

Zoom retrofocus

Retrofocus zoom wykonana jest tylko z dwóch grup. Przednia grupa, o ujemnej mocy refrakcyjnej i (ujemnej) odległości ogniskowej f ₁ , tworzy wirtualny pośredni obraz obiektu gdzieś przed obiektywem. Ta grupa działa podobnie jak okulary noszone przez osoby krótkowzroczne: przybliża obiekt „do oka”. Ogniskowa tej grupy jest bliska -35 mm.

Tylna grupa, o dodatniej mocy refrakcyjnej, sprawia, że ​​na czujniku znajduje się odwrócony obraz rzeczywisty tego pośredniego obrazu wirtualnego. Obraz pośredni jest „obiektem” dla tej grupy. Końcowy obraz jest jak odwrócona kopia obrazu wirtualnego, skalowana współczynnikiem powiększenia m ₂ zbliżonym do -1, co jest ujemne, ponieważ obraz końcowy jest odwrócony.

Zakładając, że obiekt znajduje się w nieskończoności, cała soczewka ma ogniskową f  =  f ₁ × m ₂ . Jest to iloczyn dwóch liczb ujemnych, a wynik jest dodatni.

Na powyższym uproszczonym rysunku pierwsza grupa to soczewka L1, druga grupa to soczewka L2, zoom jest ustawiony na nieskończoność, obraz pośredni znajduje się po lewej stronie, w odległości x od L2, a czujnik znajduje się w pozycji P Powiększenie L2 wynosi m ₂ = - x '/ x .

Dzięki tej konstrukcji można łatwo powiększyć obiektyw, przesuwając drugą grupę. Gdy ta grupa jest bliżej czujnika, zapewnia małe powiększenie (powiedzmy około -0,5), a tym samym krótszą ogniskową dla całego obiektywu. Po przesunięciu do przodu, bliżej obrazu pośredniego, masz większe powiększenie (powiedzmy około -1,6), a tym samym dłuższą ogniskową dla całego obiektywu.

Jednak wraz ze zmianą powiększenia tej grupy zmienia się odległość między obiektem (w tym przypadku obrazem pośrednim) a obrazem końcowym. Odległość ta jest minimalna, gdy grupa znajduje się tuż między swoim obiektem a obrazem, co dzieje się, gdy powiększenie wynosi -1. Możesz to łatwo sprawdzić za pomocą szkła powiększającego, aby skupić obraz żarówki na kawałku papieru: odległość między żarówką a zogniskowanym obrazem jest minimalna, gdy obraz ma taki sam rozmiar jak obiekt. W przypadku obiektywu zmiennoogniskowego, ponieważ ostateczny obraz musi spaść w ustalonym położeniu (na czujniku), obraz pośredni należy przesunąć, przesuwając przednią grupę. Wyjaśnia to obserwowane zachowanie przedniej grupy: powiększenie obiektywu z 18 mm na ~ 35 mm powoduje powiększenie m ₂zmienia się z ~ -0,5 na -1, a grupa frontowa zbliża się do czujnika. W miarę zbliżania się do 55 mm m ₂ zmienia się z -1 na ~ -1,6, a przednia grupa odsuwa się od czujnika.

Przykład 1

To tylko teoretyczny (ponad) uproszczony model powiększenia, w którym każda grupa jest tylko cienką soczewką. Ogniskowe grup wynoszą -35 mm (grupa przednia) i +35 mm (grupa tylna). Zakładając, że obiekt znajduje się w nieskończoności, obliczyłem konfiguracje zoomu dla trzech ogniskowych. Poniższa tabela pokazuje pozycje elementów obiektywu (w mm od czujnika) w zależności od ogniskowej, dla której zoom jest ustawiony na:

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

A oto rysunek w skali:

Czujnik jest po prawej stronie. Obraz pośredni (nie rysowany) znajduje się 35 mm na lewo od przedniego elementu. Interesujące jest to, że ruchy grup (zarówno z przodu, jak i z tyłu) pasują do tego, co widziałem na większości małych zoomów średniego zasięgu. Rzeczywisty zoom może mieć więcej grup (wspomniano o IS), ale tylko dwie są naprawdę potrzebne do akcji zoomu.

Przykład 2

Bardziej realistyczny przykład można znaleźć w tym patencie dla niektórych zoomów Nikon 1 . To nie jest najlepszy przykład, ponieważ te obiektywy są przeznaczone do aparatu bezlusterkowego. Jednak jednym z przykładów wykonania jest 10-30 mm zoom średniotonowy (równowartość 27-81), dość bliski zakres do 18-55 dla 1,6 ×.

Podoba mi się ten przykład ze względu na liczby. Spójrz na rysunek na stronie 1, a dokładniej na strzałki u dołu, poniżej etykiet „G1” i „G2”. Te strzałki pokazują, w jaki sposób grupy się poruszają, gdy obiektyw jest powiększony z szerokiego (W) do tele (T). Widać, że pierwsza grupa porusza się do tyłu, a następnie do przodu, podczas gdy druga grupa monotonnie porusza się do przodu. To właśnie widziałem na wielu szerokokątnych i średnich zakresach zoomu, choć nie na wszystkich (na przykład na Nikkorze 18-70). Można zauważyć, że w drugiej grupie są pewne podgrupy, w tym jedna grupa do ustawiania ostrości (Gf) i jedna grupa do stabilizacji obrazu (Gs). Te podgrupy są jednak nieistotne, gdy rozważa się tylko powiększanie.

W każdym razie interesujące jest to, że chociaż niektóre z podanych przykładów mają trzy grupy soczewek, większość (w tym „preferowany przykład wykonania”) ma tylko dwie. Cytując patent (paragraf 077 na stronie 67):

Układ optyczny według niniejszego przykładu wykonania obejmuje, w kolejności od strony przedmiotu, pierwszą grupę soczewek o ujemnej mocy refrakcji i drugą grupę soczewek o dodatniej mocy refrakcji.

To jest dokładnie opis obiektywu retrofocus.

Przykład 3

Oto kolejny patent firmy Nikon, który może być bardziej odpowiedni, ponieważ opisuje głównie 18–55 rodzajów zoomów APS-C.

Przykłady 1 i 2 tego patentu dotyczą tak prostej konstrukcji retrofokusa, z przednią grupą ogniskowej -31,51 mm i tylną grupą ogniskowej + 37,95 mm. Z tabel danych widzimy, że podczas powiększania obiektywu z 18 do 55 mm przednia grupa przesuwa się najpierw do tyłu (w kierunku czujnika), a następnie do przodu (w kierunku od czujnika), podczas gdy tylna grupa monotonnie przesuwa się do przodu.

Ten patent pokazuje również, że prosty projekt dwóch grup, który tu opisuję, nie jest jedyną możliwą opcją. Rozważ przykład 5 tego patentu. Ten obiektyw ma cztery grupy, które poruszają się na różne sposoby w miarę powiększania. Podczas powiększania od 18 do 55 mm przednia grupa przesuwa się do tyłu, a następnie do przodu, a tylna grupa monotonnie przesuwa się do przodu. Tak więc, patrząc z zewnątrz, wygląda jak prosty projekt dwóch grup z przykładu 1, chociaż wewnętrznie jest on znacznie bardziej złożony.

Z drugiej strony ten konkretny projekt w rzeczywistości nie jest tak daleko od prostego projektu retrofocus. Jeśli powiemy, że grupy 2, 3 i 4 stanowią rodzaj „supergrupy”, wówczas soczewkę można opisać jako grupę (G1) ujemnej mocy refrakcyjnej, po której następuje super-grupa (G234) dodatniej mocy refrakcyjnej. Nadal rodzaj retrofocus. Opis ten nie jest całkowicie nieracjonalny, ponieważ grupy 2, 3 i 4 poruszają się mniej więcej w ten sam sposób: wszystkie poruszają się monotonnie do przodu, gdy soczewka jest powiększana z szerokiej na tele, a ich średni ruch jest większy niż względne ruchy między nimi. Z tabeli danych obiektywu obliczyłem ogniskową tej supergrupy i stwierdziłem, że niewiele się zmienia: tylko od 38,6 mm na szerokim końcu zoomu do 34,8 mm na tele.

Chociaż zbadałem tylko kilka patentów, doszedłem do wniosku, że pewien rodzaj retrofokowania (ale niekoniecznie tylko z dwiema grupami) prawdopodobnie będzie na powiększeniu, jeśli zostaną spełnione następujące trzy warunki:

• obiektyw przy wszystkich ustawieniach jest dłuższy niż ogniskowa
• po powiększeniu z teleobiektywu element przedni przesuwa się najpierw do tyłu (bliżej czujnika), a następnie do przodu
• przy powiększeniu z szerokiego na tele tylny element porusza się zawsze do przodu.

Pierwszy warunek najprawdopodobniej zawsze będą spełniać obiektywy SLR o maksymalnej ogniskowej nie większej niż 55 mm.

PS: Ta odpowiedź została mocno zredagowana w celu lepszego scalenia kilku edycji. W procesie tym uwzględniłem ważną kwestię podniesioną przez Stana Rogersa, a mianowicie, że prosty projekt nie jest jedynym możliwym projektem.

Zobacz notatkę edycji poniżej tej odpowiedzi.

Obiektyw jest retrofokalny na szerokim końcu i teleobiektywem na długim końcu. Soczewka retrofocus jest nazywana „odwróconym teleobiektywem”, ponieważ jest zbudowana podobnie do teleobiektywu z odwróconymi elementami. Efekt maleje wraz z powiększaniem, aż osiągniesz około 35 mm, przy którym obiektyw zaczyna się rozciągać i ostatecznie staje się konfiguracją teleobiektywu, w której rozmiar obiektywu, od przedniego elementu do tylnego elementu, jest mniejszy niż ogniskowa. Obiektyw nie jest ani retrofokalny, ani teleobiektyw pomiędzy tymi pozycjami. Powoduje to, że obiektyw jest dłuższy w skrajnych zakresach zoomu niż w pozycjach pośrednich.

Więcej informacji na temat tego projektu można znaleźć w artykułach Wikipedii na temat retrofokusa Angénieux , który omawia genezę projektu dla szerokiego końca oraz teleobiektyw dla tego, co dzieje się na długim końcu. Według artykułu z teleobiektywem:

Obiektywy zmiennoogniskowe, które są teleobiektywami z jednej skrajnej odległości zakresu, a retrofocus z drugiej, są teraz powszechne.

Zasadniczo dzieje się to z obiektywem 18–55 mm. O ile mi wiadomo, obiektywy 18–55 mm Canon, Nikon, Pentax i Sony (z mocowaniem typu A, a nie z mocowaniem typu E) mają taki sam wygląd.

Edycja: Ta odpowiedź jest nieprawidłowa, ponieważ opiera się na niepoprawnej definicji „teleobiektywu”. Proszę zignorować tę odpowiedź; Odpowiedź Edgara Boneta jest prawdopodobnie poprawna. Zobacz https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

W przypadku większości projektów obiektywów zmiennoogniskowych podczas powiększania tubus obiektywu i przedni element będą się wydłużać, to prawda.

Ale są pewne obiektywy, takie jak Canon EF 24-70, w których obiektyw jest całkowicie wysunięty na 24 mm i całkowicie schowany na 70 mm. Sądząc po przednich elementach, wydaje się, że działa wstecz!

Są też obiektywy IZ (zoom wewnętrzny), w których przedni element w ogóle się nie porusza.

Każdy obiektyw będzie miał wiele grup elementów, z których niektóre będą się poruszały „na zewnątrz”, a inne poruszały się „do środka”. Myślę, że prosta odpowiedź brzmi: nie można po prostu ocenić na podstawie tego, co robi lufa i przedni element, w środku dzieje się o wiele więcej. Niektóre konstrukcje obiektywów są bardzo skomplikowane. Będę bardzo zainteresowany, jeśli ktoś może opublikować proste zdjęcie wyjaśniające, jak działa ten konkretny projekt obiektywu.