Bagaimana lensa zoom membatasi aperture terluas di ujung telefoto?

Apakah cincin apertur mengunci lubang di luar, katakanlah 5.6 pada akhirnya telefoto lensa panjang? Apakah lensa menimbulkan hambatan pada cincin apertur sehingga lensa tidak dapat dibuka lagi di luar apertur di ujung telefoto?

Dan mengapa lensa berperilaku seperti ini? Mengapa mereka tidak memiliki lubang konstan di seluruh rentang fokus mereka?

Murid pintu masuk dibatasi oleh diameter elemen depan, dan itulah yang biasanya membatasi aperture maksimum lensa zoom telefoto - bukan ukuran fisik dari diafragma apertur.

Ukuran fisik diafragma hanyalah bagian dari apa yang menentukan aperture maksimum, dinyatakan sebagai angka-f, dari sebuah lensa. Pembesaran antara bagian depan lensa dan lokasi diafragma juga berperan. F-number dari aperture ditentukan oleh rasio panjang fokus lensa dibagi dengan diameter murid masuk , sering disebut sebagai aperture efektif. Dalam bahasa yang sederhana, diameter pupil pintu masuk ditentukan oleh seberapa lebar bukaan diafragma muncul ketika dilihat melalui bagian depan lensa .

Ketika lensa zoom bukaan konstan digerakkan untuk mengubah panjang fokus, perbesaran antara bagian depan lensa dan diafragma adalah apa yang biasanya berubah, bukan ukuran fisik dari diafragma. Perubahan pembesaran inilah yang memungkinkan murid masuk tampak lebih besar pada panjang fokus yang lebih panjang dan lebih kecil pada panjang fokus yang lebih pendek. Lensa 70-200mm f / 2.8 memiliki diameter murid masuk 25mm pada 70mm dan f / 2.8. Pada 200mm murid masuk di f / 2.8 sedikit lebih lebar 71mm. Diafragma fisik yang sebenarnya adalah ukuran yang sama dalam kedua kasus. Yang telah berubah adalah jumlah perbesaran antara rakitan diafragma dan bagian depan lensa.

Perhatikan bahwa prinsip yang sama ini biasanya juga digunakan dengan lensa zoom apertur variabel. Ambil, misalnya, lensa zoom 18-300mm f / 3.5-5.6. Pada 18mm murid masuk untuk f / 3.5 lebarnya sekitar 5.14mm. Pada 300mm murid masuk untuk f / 5.6 lebih dari sepuluh kali lebih lebar 53.6mm. Perhatikan bahwa sebagian besar lensa zoom yang maks. 300mm dan f / 5.6 memiliki elemen depan yang sedikit lebih besar dari diameter 54mm. Ukuran murid masuk yang dibutuhkan adalah alasannya! Jika murid masuk di 300mm masih 5,14mm selebar 18mm dan f / 3.5, aperture maksimum 300mm adalah f / 58!

Jadi mengapa tidak semua lensa zoom menggunakan perbesaran yang cukup untuk tetap pada aperture konstan di seluruh rentang zoom? Terutama biaya yang terkait dengan ukuran tambahan, berat, dan kompleksitas yang diperlukan untuk menghasilkan lensa aperture yang konstan.

Murid pintu masuk tidak boleh lebih besar dari diameter elemen depan lensa untuk lensa dengan sudut pandang sempit. Pada 200mm aperture f / 5.6 membutuhkan murid masuk dengan diameter hampir 36mm. Kebanyakan lensa yang dapat dipertukarkan saat ini memiliki diameter paling kecil karena flensa pemasangan pada kebanyakan kamera lensa yang dapat dipertukarkan memiliki diameter sekitar 42-54 milimeter. (Harap dicatat bahwa kita berbicara tentang lebar lubang pada flens pemasangan, bukan jarak flens pemasangan di depan pesawat sensor / film yang disebut sebagai jarak pendaftaran.) Di sisi lain, pada 200mm dan bukaan f / 2.8 membutuhkan murid masuk dengan lebar sekitar 71,4mm. Itu membutuhkan lensa untuk memiliki diameter yang jauh lebih besar daripada lubang pada flens pemasangan.

Tidak hanya laras lensa dan semua bagian lensa yang mengelilingi jalur optik harus lebih besar dan karenanya membutuhkan jumlah bahan baku yang lebih tinggi dari mana mereka dibuat, tetapi elemen optik yang sebenarnya juga harus berdiameter lebih besar dan lebih tebal untuk mempertahankan sudut bias yang sama. Elemen lensa yang lebih besar juga memperkenalkan lebih banyak penyimpangan yang perlu diperbaiki. Seringkali bahan yang paling mahal dalam lensa adalah yang digunakan untuk membuat elemen optik korektif ini. Menambahkan elemen untuk memperbaiki hal-hal seperti chromatic aberration dapat menimbulkan masalah tambahan, seperti distorsi geometrik, daripada memerlukan lebih banyak elemen tambahan untuk dikoreksi. Jadi tidak hanya seluruh lensa dan banyak elemen optik di dalamnya perlu lebih besar, tetapi juga membutuhkan lebih banyak komponen optik yang terbuat dari bahan yang lebih mahal.

Bagi kebanyakan orang, kecuali jika mereka benar-benar membutuhkan celah yang lebih besar, mereka akan segera membawa lensa yang lebih ringan dan lebih kecil di mana mereka membayar lebih sedikit.

Kualitas lensa zoom modern luar biasa mengingat semua masalah manufaktur yang dihadapi. Pembuatnya tidak akan menyukai apa pun selain menjaga agar aperture maksimum tetap konstan di seluruh zoom. Ini lebih mudah diucapkan daripada dilakukan.

Angka-f adalah rasio. Secara matematis kita membagi panjang fokus dengan diameter bukaan yang bekerja untuk menghitung f-number. Kita perlu nilai ini menjadi rasio karena rasio tidak berdimensi. Dengan kata lain, lensa f / 4 melewatkan energi cahaya yang sama ke film atau sensor terlepas dari dimensi lensa. Sebagai contoh lensa 100mm dengan bukaan diameter 25mm, berfungsi pada f / 4. Lash-up ini menghasilkan kecerahan gambar yang sama dengan sistem teleskop astronomi dengan panjang fokus 4000mm dengan bukaan 1000mm. Keduanya mengekspos vista yang sama sama.

Kami membutuhkan sistem f-number karena menghilangkan kekacauan. Lensa apa pun yang disetel ke nomor-f yang sama dengan lensa lainnya, memberikan kecerahan gambar yang sama. Ini karena panjang fokus dan diameter apertur saling terkait. Saat Anda memperbesar ke pembesaran yang lebih tinggi dan lebih tinggi, gambar akan meredup. Pikirkan tentang memindahkan proyektor lebih jauh dan lebih jauh dari dinding putih. Saat Anda menjauhkan proyektor dari dinding, gambar yang diproyeksikan di dinding menjadi lebih besar dan, karena cahaya harus menutupi lebih banyak area permukaan, gambar menjadi lebih redup. Sama dengan lensa zoom.

Entah bagaimana pembuat lensa harus mengkompensasi atau angka-f yang konstan tidak dapat dipertahankan sepanjang zoom. Kebanyakan zoom tidak dapat mempertahankan f-number yang konstan. Itu menjadi terlalu mahal untuk dibuat dan penjualan akan hilang karena Anda telah membuat harga diri Anda keluar dari pasar.

Bagaimana cara mempertahankan angka-f yang konstan di seluruh zoom? Diafragma iris terletak di belakang kelompok lensa yang bergerak. Kelompok depan bertindak seperti kaca pembesar yang menyebabkan diameter jelas dari iris terlihat lebih besar seperti yang terlihat dari depan. Penempatan ini memungkinkan lebih banyak dan lebih banyak cahaya untuk transit iris saat lensa memperbesar ke pembesaran yang lebih tinggi dan lebih tinggi. Penempatan dan tindakan elemen lensa maju tersebut menyebabkan distorsi dan penyimpangan yang harus diperbaiki. Koreksi ini membutuhkan elemen lensa kompleks yang harus bergerak dengan presisi. Ini menambah biaya. Intinya adalah zoom aperture konstan sangat mahal untuk dibuat.

Apakah lensa zoom adalah bukaan konstan atau bukaan variabel, pertama-tama berkaitan dengan desain, yang kedua berkaitan dengan faktor mekanis seperti membuka atau menutup diafragma.

Lensa zoom berfungsi dengan meminta beberapa elemen bergerak untuk mengubah panjang fokus. Ini berfungsi karena persamaan untuk panjang fokus lensa tebal:

(1) Phi = phi_1 + phi_2 - (t / n) * phi_1 * phi_2

(2) EFL = 1 / Phi

Di mana Phi adalah kekuatan optik total lensa tebal, phi_1 dan phi_2 adalah kekuatan optik dari permukaan pertama dan kedua, t adalah ketebalan di antara keduanya, dan n adalah indeks bias lensa. EFL adalah singkatan dari focal length yang efektif dan inilah yang secara sehari-hari disebut dengan mengatakan focal length.

Setiap sistem optik yang mengandung sejumlah elemen dapat dimodelkan secara akurat sebagai lensa tipis tunggal. Persamaan ini juga berfungsi untuk lensa tipis, tetapi istilah t / n menghilang, karena t = 0. Lensa 50mm f / 1.8 dapat dimodelkan sebagai lensa tipis tunggal dengan panjang fokus 50mm, seperti halnya lensa 18-300mm diatur ke 50mm.

Anda juga dapat menggunakan formula ini untuk memodelkan 2 lensa tipis. Selama lensa positif, Anda dapat melihat bahwa dengan mendorong mereka lebih jauh, istilah t / n akan semakin besar. Saat ia tumbuh, daya berkurang dan focal length menjadi lebih besar.

Ini adalah inti dari lensa zoom.

Segera setelah Anda memperkenalkan penghenti apertur ke dalam sistem optik, Anda memiliki apa yang dikenal sebagai murid masuk dan keluar . Murid pintu masuk adalah gambar stop aperture yang dibentuk oleh elemen di depannya, dan pupil pintu keluar adalah gambar stop aperture yang dibentuk oleh elemen di belakangnya.

Pupil memiliki posisi dan ukuran seperti elemen lensa atau aperture yang sebenarnya berhenti sendiri. The f / # dari lensa dapat didekati dengan

(3) f / # = EFL / EPD

Di mana f / # adalah 'rasio fokus', EFL adalah panjang fokus efektif, dan EPD adalah diameter murid masuk.

Mari tempelkan aperture stops di tengah dua lensa tipis yang dipisahkan oleh udara. Jika kita meningkatkan EFL sistem lensa dengan menggerakkan lensa di depan, EPD akan berubah dengannya. Jika kita meningkatkan EFL lensa dengan menggerakkan lensa di belakang ke belakang, EPD tidak akan berubah dengan itu, karena lensa itu tidak mempengaruhi murid masuk dengan cara apa pun.

Kebetulan bahwa kecuali Anda membuat rentang zoom yang sangat besar, pembesaran bukaan berhenti yang bertanggung jawab atas EPD meningkat pada kecepatan yang sama dengan panjang fokus. Karena pembilang dan penyebut dari (3) berubah dengan jumlah relatif yang sama, rasionya masih sama dan karenanya lensa kita mungkin telah bergerak dari 70mm ke 200mm dan mempertahankan bukaan f / 4.

Jika kita memindahkan lensa di belakang, lensa akan melambat menjadi sekitar f / 10 atau lebih dengan memperbesar dari 70mm ke 200mm.

Lensa zoom modern memiliki 3 atau 4 grup zoom, jadi lebih rumit daripada penjelasan sederhana ini. Jika semuanya ada di depan aperture stop, ini masih benar. Jika kebanyakan dari mereka berada di depan aperture stop, pabrikan akan cenderung memprogram diafragma untuk membuka / menutup sementara lensa memperbesar dan hanya menipu celah untuk membuatnya berperilaku seperti lensa aperture konstan.

Anda mungkin bertanya-tanya mengapa tidak menempatkan semua kelompok di depan pemberhentian dan selesai dengan itu - ada dua motivasi utama:

1) Jika Anda memaksakan semua pembesaran terjadi di depan penghentian apertur, lensa tentu lebih panjang daripada jika dapat memperbesar pada kedua sisi.

2) Lebih mudah untuk merancang lensa yang dikoreksi dengan baik jika Anda diizinkan untuk mengubah posisi elemen di kedua sisi.