Bagaimana cara kerja lensa zoom bukaan konstan?

Lensa zoom yang lebih murah biasanya lebih cepat di ujung lebar dan lebih lambat di ujung panjang (misalnya, Canon 150 $ EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6). Lensa zoom bukaan konstan yang lebih mahal memiliki aperture yang sama terlepas (misalnya, $ 800 Canon EF 17-40mm f / 4.0 L).

Pertanyaan saya adalah: apakah lensa yang bagus ini berkantong pasir pada pengaturan yang lebih luas, atau apakah mereka memiliki sistem optik yang berbeda yang memungkinkan mereka mempertahankan aperture yang sama di seluruh rentang zoom?

Sayangnya, jawaban yang lain tidak lebih dari sekadar memberi petunjuk pada motivasi yang mungkin terlibat dalam memilih untuk mendesain satu atau yang lainnya. Tak satu pun dari mereka yang benar-benar memberi petunjuk betapa perbesaran aperture tetap dan variabel benar-benar berbeda.

Sebenarnya ada perbedaan yang cukup mendasar dalam desain. Diafragma (bagian yang membentuk apertur) di hampir semua lensa berada di sekitar tengah lensa. Dalam zoom aperture tetap, hanya elemen di belakang diafragma yang bergerak untuk melakukan zooming. Dalam zoom bukaan variabel, elemen di belakang dan di depan bukaan bergerak untuk melakukan zooming.

Setidaknya dalam kasus biasa, diameter apertur tidak berubah saat Anda memperbesar. Ini cukup mudah untuk diverifikasi - mengambil gambar dengan rasio zoom yang berbeda dan aperture maksimum dengan beberapa highlight tidak fokus. Paling tidak dengan lensa zoom tipikal Anda, sorotan tidak fokus akan tetap bulat pada semua panjang fokus, menunjukkan bahwa apertur tetap terbuka lebar (di mana bundarnya). Hentikan lensa beberapa kali, dan Anda akan mulai melihat bentuk dari penutup bukaan apertur (meskipun lensa dengan banyak bilah, terutama yang bundar, akan mempertahankan sorotan yang hampir terlihat agak lebih dari yang lain).

Ketika / jika elemen di depan aperture bergerak selama zoom, Anda mengubah panjang fokus (efektif) dari bagian lensa tersebut. Anda kemudian mentransmisikan cahaya melalui bukaan berdiameter tetap, artinya perubahan f / stop yang efektif. Karena hanya dipengaruhi oleh perubahan panjang fokus efektif elemen di depan diafragma, perubahan tidak (biasanya) berkorelasi persis dengan perubahan panjang fokus efektif keseluruhan - menggerakkan elemen di belakang diafragma mengubah fokus efektif panjang tanpa mengubah aperture efektif (mis., 28-135 saya hampir memiliki rentang zoom 5: 1, tetapi aperture hanya berubah dari f / 4.0 ke f / 4.5).

Mereka memiliki optik yang berbeda dan biasanya lensa yang jauh lebih besar untuk rentang fokus yang sama (bandingkan 70-200mm f / 2.8 dengan 70-300mm f / 4.5-5.6 dan melihat bahwa yang terakhir ini kecil dalam perbandingan). Untuk mendapatkan bukaan konstan pada ujung yang panjang, Anda harus memiliki laras yang lebih besar karena bukaan merupakan perbandingan terhadap panjang fokus. Namun, jika Anda menghitungnya sebagai contoh:

18mm f / 3.5 berarti bukaan 5.14mm 55mm f / 5.6 berarti bukaan 9.82mm

17mm f / 4.0 berarti bukaan 4.25mm 40mm f / 4.0 berarti bukaan 10mm

Jelas bahwa diameter fisik apertur dapat lebih besar dalam kedua kasus. Jadi, dalam kedua kasus tersebut, Anda akan berteori bahwa pada ujung terluas Anda harus bisa f / 2.0 atau sekitar dan skenario kantong pasir Anda akan berlaku untuk keduanya. Di sisi lain, untuk yang terakhir, optik dapat disederhanakan dan dengan demikian mendekati kualitas prima dalam hasilnya. Jadi ... Pengorbanan.

Bagaimanapun, zoom melibatkan konstruksi yang cukup rumit, jauh lebih banyak daripada lensa prima yang pernah ada, dan ada banyak pertimbangan seputar koreksi optik pada berbagai panjang fokus, efek aperture pada koreksi itu, dan sebagainya. Mungkin, mengingat desain lensa dan biaya yang terkait, bahwa upaya untuk mendapatkan yang lebih luas pada ujung yang pendek akan menghasilkan kelembutan yang sangat tidak dapat diterima dalam gambar atau beberapa bentuk abberasi lainnya.

Akhirnya, pasti ada konstruksi optik yang berbeda antara keduanya. Heck, ada konstruksi optik yang berbeda antara lensa dengan konfigurasi yang sama tetapi produsen yang berbeda. Itu semua bermuara pada biaya versus manfaat dan, pada akhirnya, berapa harga yang akan ditanggung pasar untuk sebuah lensa konstruksi tertentu.

Sederhananya, rasio f / 4.0 berarti ukuran efektif bukaan adalah panjang fokus dibagi 4 - untuk 600mm f / 4.0 ini tidak berarti ada lubang 150mm di mana bilah bukaan berada, hanya bahwa lensa berperilaku seolah-olah ada. (jika Anda melihat desain Canon 600 f / 4.0 jelas tidak ada ruang untuk pembukaan 150mm di tengah lensa).

Ini adalah prinsip di balik lensa bukaan konstan, ukuran bukaan virtual berubah di seluruh rentang zoom, meskipun wajah bukaan fisik jelas tetap memiliki ukuran yang sama.

Semua zoom mengubah ukuran apertur virtual atau efektif saat melakukan zoom, "apertur konstan" (rasio-f benar-benar konstan) cukup mengubah apertur agar rasio apertur dengan focal length sama. Desain lensa "bukaan konstan" tidak secara radikal berbeda, hanya sejauh mana perubahan bukaan tampak.

Untuk mencuri angka dari jawaban John (untuk menyimpannya lagi) ukuran lubang virtual untuk dua lensa yang disebutkan adalah:

Canon EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 5.14mm @ 18mm - 9.82mm @ 55mm

Canon EF 17-40mm f / 4.0 4.25mm @ 17mm - 10mm @ 40mm

Jika optik pada 18-55 membuat bukaan virtual 15mm pada ujung panjang itu akan menjadi lensa bukaan konstan (@ f / 3.5) ini akan sangat mahal namun karena rentang zoom yang besar [relatif], itulah sebabnya mengapa lensa murah tetap f / 5.6

Tidak ada sandbagging yang terjadi di lensa aperture konstan, di ujung lebar lensa berusaha sekeras mungkin, hanya saja telah direkayasa untuk berperilaku lebih cepat di ujung panjang!

Pertanyaan saya adalah: apakah lensa yang bagus ini berkantong pasir pada pengaturan yang lebih luas, atau apakah mereka memiliki sistem optik yang berbeda yang memungkinkan mereka mempertahankan aperture yang sama di seluruh rentang zoom?

Ingat bahwa ketika menggunakan angka-f untuk mewakili bukaan, itu dinyatakan sebagai sebagian kecil dari panjang fokus, sehingga saat Anda memperbesar, diameter efektif bukaan yang sama ditunjukkan sebagai angka yang berbeda. f / 2.8 pada 20mm adalah setengah diameter efektif aperture f / 2.8 pada 40mm. Jadi zoom aperture konstan Anda sebenarnya tidak "mempertahankan aperture yang sama di seluruh rentang zoom". Bahkan, zoom 18-55 yang mempertahankan diameter efektif aperture yang sama di seluruh rentang zoom akan menjadi sesuatu seperti f / 3.5-10.7.

Jadi, tidak ada tipe lensa zoom yang benar-benar mempertahankan diameter efektif aperture yang sama. Perhatikan bahwa diameter efektif tidak selalu merupakan diameter sebenarnya dari cincin apertur, juga, karena bagian dari efek pembesaran adalah bahwa cincin apertur itu sendiri diperbesar. Tetapi diameter efektif adalah yang relevan .

Perancang lensa berjuang untuk memecahkan sejumlah masalah termasuk penyimpangan kromatik, distorsi, ketajaman dan vignetting. Dengan lensa zoom, ini menjadi semakin sulit karena mereka harus menyelesaikan masalah ini tidak hanya pada panjang fokus tunggal tetapi di seluruh rentang zoom. Namun, semua desain lensa membuat kompromi hanya karena ada begitu banyak kekuatan yang berlawanan. Untuk lensa zoom, perancang lensa memutuskan apertur apa yang bisa mereka hindari pada setiap panjang fokus dalam rentang zoom, tanpa terlalu banyak pelunakan atau masalah lain seperti sketsa.

Lensa zoom diinginkan untuk memiliki diameter efektif aperture yang lebih luas di ujung telefoto daripada di ujung lebar, karena saat gambar diperbesar, Anda perlu lebih banyak cahaya untuk jumlah yang sama untuk jatuh pada sensor / film. Artinya, Anda perlu menjadi lebih luas hanya untuk mencapai f-number yang sama.

Zoom yang lebih murah seringkali hanya membuat lebih banyak kompromi pada kecepatan di ujung tele daripada yang lebih mahal.

Zoom bukaan konstan seperti Canon EF 17-40mm f / 4.0 L yang Anda sebutkan membuat kompromi yang berbeda; mereka berupaya lebih keras untuk mendapatkan aperture efektif yang lebih luas di ujung telefoto. Namun, hasilnya, mereka menggunakan lebih banyak kaca dan membuat lensa lebih berat. Karena semuanya adalah kompromi juga, mereka tidak ingin usaha mereka untuk mendapatkan aperture yang lebih luas di ujung telefoto untuk meningkatkan kelembutan atau vignetting pada ujung yang lebar, sehingga membatasi aperture maksimum ujung lebar itu. Jadi Anda mendapatkan keseimbangan ukuran bukaan yang berbeda dibandingkan dengan "variabel" yang lebih murah dan lebih ringan (pada kenyataannya sebenarnya lebih sedikit variasi dalam hal diameter bukaan aktual) zoom bukaan dan semua yang benar-benar tergantung pada adalah jenis pengorbanan yang telah dibuat di desain lensa.

Masalahnya adalah memiliki kombinasi yang benar antara elemen-elemen yang dilekukan dan cembung untuk mengurangi kehilangan cahaya di seluruh rentang zoom. Sementara f / 4.0 mungkin tampak seperti Anda dicurangi pada aperture yang lebih cepat, itu lebih merupakan hasil dari mendapatkan gambar yang setajam tanpa penyimpangan berwarna sambil tetap menjaga waktu dan pencahayaan yang konsisten di seluruh zoom dan rentang fokus Anda.

Canon memiliki beberapa literatur yang sangat bagus menjelaskan semua ini, bersama dengan bagaimana Difraksi Optik digunakan dalam beberapa lensa baru mereka untuk melawan semua kerugian sebelumnya ke optik biasa. Saya akan mempostingnya segera setelah saya menemukannya lagi.

Saya setuju dengan penilaian pengguna86418 bahwa jawaban Jerry Coffin memiliki ini mundur, meskipun ia pada gilirannya tampaknya telah menggabungkan aperture numerik dengan ƒ / angka.

Mengutip outdoorphotographer.com

Dalam zoom variabel-bukaan ... elemen di depan dan di belakang gerakan diafragma (dan diafragma itu sendiri bergerak), sehingga murid pintu masuk tidak bervariasi dalam proporsinya terhadap perbesaran, dan changes-nomor berubah ketika Anda memperbesar lensa. (Catatan: Beberapa pembesaran juga dapat mengubah diameter bukaan fisik selama pembesaran, juga.)

Ada sejumlah "formula" lensa-zoom, tetapi pada dasarnya telezoom mengubah perbesaran (panjang fokus) dengan menggerakkan elemen di depan diafragma apertur.

Situs Pierre Toscani menyediakan diagram optik terperinci dari zoom bukaan konstan:

Lucunya, jawaban yang diterima saat ini membuatnya benar-benar salah. Entah itu, atau terminologi "sebelum bukaan" dan "di belakang bukaan" terlihat dari sisi sensor (yang tidak masuk akal) daripada lensa depan.

Murid pintu masuk, gambar bukaan bukaan seperti yang terlihat melalui lensa depan, memiliki diameter yang sebanding dengan panjang fokus saat melakukan zoom dengan bukaan numerik konstan (yang digunakan oleh fotografer dan yang biasanya sesuai dengan ukuran bukaan bukaan fisik. pisau). Jelas perubahan ukuran semu ini membutuhkan perubahan elemen lensa antara aperture dan lensa depan. Perubahan ini akan cukup untuk mempengaruhi perubahan yang diinginkan dalam panjang fokus pada numerik konstanbukaan dalam desain sederhana; Namun, lensa zoom modern mengandung lebih banyak elemen daripada yang bertanggung jawab menentukan panjang fokus: banyak elemen korektif juga terlibat. Apakah salah satu dari kelompok belakang bergerak di samping kelompok depan adalah masalah resep optik yang tepat.