Làm cách nào để ống kính zoom hạn chế khẩu độ rộng nhất của chúng ở đầu tele?

Vòng khẩu độ có khóa các khẩu độ xa hơn không, ví dụ 5.6 ở đầu tele của ống kính dài? Ống kính có gây trở ngại cho vòng khẩu độ để ống kính không thể mở được nữa ngoài khẩu độ ở đầu tele không?

Và tại sao ống kính lại hoạt động như thế này? Tại sao họ không có khẩu độ liên tục trong phạm vi tiêu cự của họ?

Đồng tử vào bị giới hạn bởi đường kính của phần tử phía trước và đó là điều thường hạn chế khẩu độ tối đa của ống kính zoom tele - không phải kích thước vật lý của màng chắn khẩu độ.

Kích thước vật lý của màng chắn chỉ là một phần của yếu tố xác định khẩu độ tối đa, được biểu thị bằng số f, của ống kính. Độ phóng đại giữa mặt trước của ống kính và vị trí của màng chắn cũng đóng một phần. Số f của khẩu độ được xác định bằng tỷ lệ độ dài tiêu cự của ống kính chia cho đường kính của đồng tử vào , thường được gọi là khẩu độ hiệu quả. Trong ngôn ngữ đơn giản, đường kính đồng tử lối vào được xác định bằng độ rộng của màng ngăn xuất hiện khi nhìn qua mặt trước của ống kính .

Khi ống kính zoom khẩu độ không đổi được di chuyển để thay đổi độ dài tiêu cự, độ phóng đại giữa mặt trước của ống kính và màng chắn là những gì thường thay đổi, không phải kích thước vật lý của màng chắn. Sự thay đổi độ phóng đại là những gì cho phép đồng tử vào xuất hiện lớn hơn ở độ dài tiêu cự dài hơn và nhỏ hơn ở độ dài tiêu cự ngắn hơn. Một ống kính 70-200mm f / 2.8 có đồng tử vào đường kính 25 mm ở 70mm và f / 2.8. Ở 200mm, đồng tử vào ở f / 2.8 rộng hơn 71mm. Cơ hoành vật lý thực tế có cùng kích thước trong cả hai trường hợp. Những gì đã thay đổi là mức độ phóng đại giữa cụm màng và mặt trước của ống kính.

Lưu ý rằng nguyên tắc tương tự này thường được chơi với ống kính zoom khẩu độ thay đổi là tốt. Lấy ví dụ, ống kính zoom 18-300mm f / 3.5-5.6. Ở 18mm, đồng tử vào cho f / 3.5 rộng khoảng 5,14mm. Với 300mm, đồng tử vào cho f / 5.6 lớn hơn mười lần so với chiều rộng 53,6mm. Lưu ý rằng hầu hết các ống kính zoom tối đa ở 300mm và f / 5.6 có các phần tử phía trước có đường kính lớn hơn 54mm một chút. Kích thước học sinh cần thiết là lý do! Nếu đồng tử vào ở 300mm vẫn rộng 5,14mm như ở 18mm và f / 3.5, khẩu độ tối đa ở 300mm sẽ là f / 58!

Vậy tại sao tất cả các ống kính zoom không sử dụng đủ độ phóng đại để duy trì khẩu độ không đổi trong toàn bộ phạm vi zoom? Chủ yếu là chi phí liên quan đến kích thước, trọng lượng và độ phức tạp bổ sung cần thiết để tạo ra một ống kính khẩu độ không đổi.

Một đồng tử vào không thể lớn hơn nhiều so với đường kính của phần tử trước của ống kính đối với ống kính có góc nhìn hẹp. Ở 200mm, khẩu độ f / 5.6 yêu cầu đồng tử vào có đường kính gần 36mm. Hầu hết các ống kính hoán đổi cho nhau hiện nay đều có đường kính lớn nhất vì các mặt bích lắp trên hầu hết các máy ảnh ống kính hoán đổi hiện đại có đường kính khoảng 42-54 mm. (Xin lưu ý rằng chúng ta đang nói về chiều rộng của lỗ trên mặt bích lắp, không phải khoảng cách của mặt bích lắp trước mặt phẳng cảm biến / phim được gọi là khoảng cách đăng ký.) Mặt khác, ở 200mm Khẩu độ f / 2.8 yêu cầu đồng tử vào rộng khoảng 71,4mm. Điều đó đòi hỏi ống kính phải có đường kính lớn hơn đáng kể so với lỗ trên mặt bích lắp.

Không chỉ nòng ống kính và tất cả các bộ phận của ống kính bao quanh đường quang cần phải lớn hơn và do đó đòi hỏi lượng nguyên liệu thô cao hơn mà chúng được tạo ra, mà các phần tử quang thực tế cũng phải có đường kính lớn hơn và dày hơn để duy trì các góc khúc xạ tương tự. Các thành phần thấu kính lớn hơn cũng giới thiệu nhiều quang sai cần hiệu chỉnh. Thông thường các vật liệu đắt nhất trong ống kính là những vật liệu được sử dụng để chế tạo các thành phần quang học hiệu chỉnh này. Thêm các yếu tố để sửa những thứ như quang sai màu có thể gây ra các vấn đề bổ sung, chẳng hạn như biến dạng hình học, hơn là yêu cầu nhiều yếu tố bổ sung hơn để sửa. Vì vậy, không chỉ toàn bộ ống kính và nhiều thành phần quang học bên trong cần phải lớn hơn mà còn đòi hỏi nhiều thành phần quang học được làm từ vật liệu đắt tiền hơn.

Đối với hầu hết mọi người, trừ khi họ thực sự cần khẩu độ lớn hơn, họ sẽ sớm mang theo một ống kính nhỏ hơn, nhẹ hơn mà họ trả ít hơn rất nhiều.

Chất lượng của một ống kính zoom hiện đại là nổi bật khi xem xét tất cả các vấn đề sản xuất gặp phải. Nhà sản xuất sẽ không yêu thích gì hơn là giữ cho khẩu độ tối đa không đổi trong suốt quá trình thu phóng. Điều này nói thì dễ hơn làm.

Số f là một tỷ lệ. Về mặt toán học, chúng tôi chia độ dài tiêu cự cho đường kính khẩu độ làm việc để tính số f. Chúng ta cần giá trị này là tỷ lệ vì tỷ lệ là không thứ nguyên. Nói cách khác, một ống kính f / 4 truyền cùng năng lượng ánh sáng cho phim hoặc cảm biến bất kể kích thước của ống kính. Ví dụ, một ống kính 100mm có khẩu độ đường kính 25 mm, hoạt động ở f / 4. Lash-up này mang lại độ sáng hình ảnh tương tự như hệ thống kính viễn vọng thiên văn với tiêu cự 4000mm với khẩu độ làm việc 1000mm. Cả hai phơi bày cùng một vista giống nhau.

Chúng tôi cần hệ thống số f vì nó lấy đi sự hỗn loạn. Bất kỳ ống kính nào được đặt cùng số f với bất kỳ ống kính nào khác, đều mang lại độ sáng hình ảnh giống nhau. Điều này là do độ dài tiêu cự và đường kính khẩu độ được đan xen. Khi bạn phóng to để phóng to hơn và cao hơn, độ mờ của hình ảnh. Hãy suy nghĩ về việc di chuyển một máy chiếu xa hơn và xa hơn từ một bức tường trắng. Khi bạn đặt máy chiếu ra khỏi tường, hình ảnh chiếu trên tường sẽ lớn hơn và, vì ánh sáng phải bao phủ nhiều diện tích bề mặt hơn, hình ảnh sẽ mờ hơn. Tương tự với một ống kính zoom.

Bằng cách nào đó, nhà sản xuất ống kính phải bù hoặc số f không đổi có thể được duy trì trong suốt quá trình thu phóng. Hầu hết các zoom không thể duy trì một số f không đổi. Nó trở nên quá đắt để thực hiện và doanh số sẽ bị mất vì bạn đã tự định giá ra khỏi thị trường.

Làm cách nào để duy trì số f không đổi trong suốt quá trình thu phóng? Cơ hoành iris được đặt phía sau nhóm ống kính chuyển động. Nhóm phía trước hoạt động như một kính lúp để làm cho đường kính rõ ràng của mống mắt trông lớn hơn khi nhìn từ phía trước. Vị trí này cho phép ngày càng nhiều ánh sáng truyền qua mống mắt khi ống kính phóng to lên độ phóng đại cao hơn và cao hơn. Vị trí và hành động như vậy của các thành phần thấu kính phía trước gây ra hiện tượng méo và quang sai phải được sửa. Hiệu chỉnh này đòi hỏi các thành phần thấu kính phức tạp phải di chuyển với độ chính xác. Điều này làm tăng thêm chi phí. Điểm mấu chốt là zoom khẩu độ không đổi rất tốn kém để thực hiện.

Cho dù ống kính zoom là khẩu độ không đổi hoặc khẩu độ thay đổi trước tiên phải làm với thiết kế, thứ hai phải làm với các yếu tố cơ học như mở hoặc đóng màng.

Một ống kính zoom hoạt động bằng cách có một số yếu tố di chuyển để thay đổi độ dài tiêu cự. Điều này hoạt động vì phương trình cho độ dài tiêu cự của một ống kính dày:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Trong đó Phi là tổng công suất quang của thấu kính dày, phi_1 và phi_2 là công suất quang của bề mặt thứ nhất và thứ hai, t là độ dày giữa chúng và n là chỉ số khúc xạ của ống kính. EFL là viết tắt của độ dài tiêu cự hiệu quả và là những gì được gọi một cách thông tục bằng cách nói độ dài tiêu cự.

Bất kỳ hệ thống quang học nào chứa bất kỳ số lượng phần tử nào cũng có thể được mô hình chính xác dưới dạng một thấu kính mỏng. Phương trình này cũng hoạt động đối với các thấu kính mỏng, nhưng thuật ngữ t / n biến mất, vì t = 0. Một ống kính 50mm f / 1.8 có thể được mô hình thành một ống kính mỏng duy nhất có tiêu cự 50mm, cũng như ống kính 18-300mm có thể đặt thành 50mm.

Bạn cũng có thể sử dụng công thức này để mô hình 2 ống kính mỏng. Miễn là các ống kính là dương, bạn có thể thấy rằng bằng cách đẩy chúng ra xa hơn, thuật ngữ t / n sẽ ngày càng lớn hơn. Khi nó phát triển, công suất giảm và độ dài tiêu cự sẽ lớn hơn.

Đây là bản chất của một ống kính zoom.

Ngay khi bạn giới thiệu một khẩu độ dừng vào một hệ thống quang học, bạn có cái được gọi là đồng tử vào và ra . Đồng tử vào là hình ảnh của điểm dừng khẩu độ được hình thành bởi các yếu tố phía trước nó, và đồng tử thoát là hình ảnh của điểm dừng khẩu độ được hình thành bởi các yếu tố đằng sau nó.

Đồng tử có vị trí và kích thước giống như một thành phần thấu kính hoặc khẩu độ thực sự tự dừng lại. Các f / # của một ống kính có thể được xấp xỉ bằng

(3) f / # = EFL / EPD

Trong đó f / # là 'tỷ lệ tiêu cự', EFL là độ dài tiêu cự hiệu quả và EPD là đường kính đồng tử lối vào.

Chúng ta hãy đặt một khẩu độ dừng ở giữa hai thấu kính mỏng cách nhau bằng không khí. Nếu chúng ta tăng EFL của hệ thống ống kính bằng cách di chuyển ống kính về phía trước, EPD sẽ thay đổi theo nó. Nếu chúng ta tăng EFL của ống kính bằng cách di chuyển ống kính về phía sau, EPD sẽ không thay đổi với ống kính đó, vì ống kính đó không ảnh hưởng đến con ngươi lối vào theo bất kỳ cách nào.

Nó xảy ra trong trường hợp trừ khi bạn thực hiện phạm vi zoom cực lớn, độ phóng đại của khẩu độ dừng chịu trách nhiệm cho EPD tăng ở cùng tốc độ với độ dài tiêu cự. Do cả tử số và mẫu số của (3) thay đổi theo cùng một lượng tương đối, tỷ lệ này vẫn giống nhau và do đó, ống kính của chúng tôi có thể đã chuyển từ 70mm sang 200mm và duy trì khẩu độ f / 4.

Nếu chúng ta di chuyển ống kính ở phía sau, ống kính sẽ chậm lại khoảng f / 10 hoặc hơn bằng cách phóng to từ 70mm đến 200mm.

Một ống kính zoom hiện đại có 3 hoặc 4 nhóm zoom, vì vậy nó phức tạp hơn lời giải thích đơn giản này. Nếu tất cả chúng ở phía trước điểm dừng khẩu độ, điều này vẫn đúng. Nếu hầu hết trong số chúng ở phía trước điểm dừng khẩu độ, nhà sản xuất sẽ có xu hướng lập trình màng ngăn để mở / đóng trong khi ống kính phóng to và chỉ gian lận để làm cho nó hoạt động giống như một ống kính khẩu độ không đổi.

Bạn có thể tự hỏi tại sao không đặt tất cả các nhóm ở phía trước điểm dừng và được thực hiện với nó - có hai động lực chính:

1) Nếu bạn buộc tất cả các chức năng thu phóng xảy ra ở phía trước điểm dừng khẩu độ, ống kính nhất thiết phải dài hơn nếu nó có thể phóng to cả hai bên.

2) Dễ dàng hơn để thiết kế một ống kính được điều chỉnh tốt nếu bạn được phép thay đổi vị trí của các thành phần ở cả hai bên.