Tại sao một số ống kính nhất định tăng góc nhìn khi lấy nét gần?

Gần đây tôi đã chọn một ống kính siêu zoom, Nikon 28-300mm. Mặc dù tôi nhận được nó chủ yếu vì tính linh hoạt của nó, nhưng trực giác của tôi là một ống kính có thể làm tiêu cự 300mm ở 50 cm, thực sự có thể, cũng sẽ cung cấp độ phóng đại hợp lý cho ảnh macro.

Tôi đã bị sốc khi phát hiện ra rằng, trong khoảng cách khoảng 5 mét, ống kính macro 105mm của tôi với teleconverter 2x cung cấp trường nhìn hẹp hơn đáng kể ở 210 mm so với ống kính 28-300mm của tôi ở mức 300 mm! Tôi tìm thấy một chủ đề diễn đàn trên ống kính này giải thích:

Bất kỳ ai mong đợi có thể sử dụng nó như một macro nên kiểm tra cẩn thận độ phóng đại tối đa: 0,32x. Là ống kính IF, Nikkor tăng đáng kể góc nhìn khi lấy nét gần hơn. [...] 0,32x ở mức 50 cm tính gần đúng với tiêu cự 92mm ở [khoảng cách lấy nét tối thiểu] ... vì vậy "đáng kể" có thể được viết ngay cả bằng chữ in hoa.

Tôi muốn hiểu rõ hơn những nguyên tắc xây dựng ống kính và / hoặc vật lý dẫn đến hành vi phản trực giác này. Ở mức độ thực dụng: rõ ràng tôi có thể lấy được trường nhìn hiệu quả ở khoảng cách lấy nét tối thiểu từ độ phóng đại tối đa được liệt kê trong thông số kỹ thuật, nhưng làm cách nào để xác định trường nhìn hiệu quả ở các khoảng cách khác? Ví dụ: làm cách nào để xác định trường nhìn của ống kính 28-300mm ở 300mm và 3 mét? Chúng có thể được tính toán hay chúng phải được xác định theo kinh nghiệm? Nếu họ phải được xác định theo kinh nghiệm, có những người công khai tài liệu này không?

Nguyên lý vật lý đằng sau hành vi này không gì khác hơn là công thức thấu kính mỏng:

1/o + 1/i = 1/f

Trong đó o là khoảng cách đối tượng (khoảng cách từ ống kính đến chủ thể), i là khoảng cách hình ảnh (khoảng cách từ ống kính đến cảm biến) và f là độ dài tiêu cự.

Đối với khoảng cách đối tượng rất lớn (tiếp cận vô cực), thuật ngữ 1 / o giảm xuống 0, do đó:

1/i = 1/f
i = f

Điều này có nghĩa là một ống kính 300mm đơn giản sẽ tạo thành một hình ảnh tập trung của một vật ở rất xa, khoảng cách khoảng 300mm phía sau ống kính. Điều này có nghĩa là nếu nó được gắn trong ống đặt ống kính cách cảm biến 300mm thì bạn sẽ có được những bức ảnh tập trung mạnh vào các vật thể ở đường chân trời.

Còn một vật ở gần ống kính ở khoảng cách 600mm thì sao?

1/600 + 1/i = 1/300
1/i = 1/600
i = 600

Cùng một ống kính 300mm được gắn trong ống 300mm sẽ tạo ra hình ảnh của các vật thể ở khoảng cách này hoàn toàn không có tiêu cự, tuy nhiên nếu chúng ta kéo dài ống lên 600mm, vật thể cận cảnh của chúng ta sẽ được lấy nét.

Chúng tôi đã tạo ra một ống kính "tập trung vào đơn vị". Vấn đề với các ống kính như vậy là chúng tăng ồ ạt về chiều dài vật lý khi tập trung.

Để tránh sự thay đổi lớn về chiều dài vật lý trong ống kính tập trung gần như 28-300mm, các nhà thiết kế sử dụng "tập trung phía sau", hoạt động bằng cách thay đổi độ dài tiêu cự khi tập trung gần. Quay trở lại công thức ống kính mỏng, nếu ống kính 300mm được gắn ở khoảng cách cố định thay đổi thành ống kính 100mm, tiêu cự sẽ thay đổi từ vô cực sang:

1/o + 1/300 = 1/100
1/o = 1/150
o = 150

Một trăm năm mươi milimét (khá gần!).

Về lý thuyết, bạn có thể sử dụng cùng một công thức để tính ra các độ dài tiêu cự tương đối ở các khoảng cách lấy nét khác nhau, nhưng với cảnh báo rằng trong một thấu kính đa yếu tố phức tạp, khoảng cách o tương ứng với khoảng cách vật thể từ mặt phẳng chính phía trước và khoảng cách i tương ứng đến khoảng cách hình ảnh từ mặt phẳng chính phía sau. Vị trí của các mặt phẳng này phụ thuộc vào thiết kế ống kính và không được nhà sản xuất chỉ định thường xuyên.

Lấy nét sau cùng giúp dễ dàng giảm khoảng cách lấy nét tối thiểu xuống, điều này cho phép các nhà sản xuất đưa "macro" vào mô tả và bán nhiều ống kính hơn, nhưng vì độ dài tiêu cự luôn được quy định với ống kính ở tiêu cự vô cực mà khách hàng đang ở bóng tối về những gì thực sự xảy ra. Tất cả những gì bạn thực sự có thể làm là coi các giá trị độ dài tiêu cự và khẩu độ đã nêu là giá trị gần đúng chỉ cho khoảng cách lấy nét vừa phải.