Wie schränken Zoomobjektive ihre größte Blende am Teleende ein?

Blockiert der Blendenring die darüber hinausgehenden Blenden, z. B. 5,6 am Teleende des Objektivs? Stellt das Objektiv ein Hindernis für den Blendenring dar, sodass das Objektiv am Teleende nicht mehr über die Blende hinaus geöffnet werden kann?

Und warum verhalten sich Linsen überhaupt so? Warum haben sie keine konstanten Aperturen im gesamten Fokusbereich?

Die Eintrittspupille wird durch den Durchmesser des Frontelements begrenzt, und das ist es, was normalerweise die maximale Apertur von Telezoomobjektiven einschränkt - nicht die physikalische Größe der Aperturblende.

Die physikalische Größe der Blende ist nur ein Teil dessen, was die als Blendenzahl ausgedrückte maximale Blende einer Linse bestimmt. Eine Vergrößerung zwischen der Vorderseite des Objektivs und der Position der Blende spielt ebenfalls eine Rolle. Die Blendenzahl einer Apertur wird durch das Verhältnis der Brennweite der Linse geteilt durch den Durchmesser der Eintrittspupille bestimmt , was häufig als effektive Apertur bezeichnet wird. In einfacher Sprache wird der Eintrittspupillendurchmesser dadurch definiert, wie weit die Öffnung der Blende bei Betrachtung durch die Vorderseite der Linse erscheint .

Wenn Zoomobjektive mit konstanter Apertur bewegt werden, um die Brennweite zu ändern, ändert sich normalerweise die Vergrößerung zwischen der Vorderseite des Objektivs und der Blende, nicht die physikalische Größe der Blende. Durch die Änderung der Vergrößerung erscheint die Eintrittspupille bei längeren Brennweiten größer und bei kürzeren Brennweiten kleiner. Ein 70-200 mm 1: 2,8-Objektiv hat eine Eintrittspupille mit 25 mm Durchmesser bei 70 mm und 1: 2,8. Bei 200 mm ist die Eintrittspupille bei 1: 2,8 etwas mehr als 71 mm breit. Die tatsächliche physikalische Membran ist in beiden Fällen gleich groß. Was sich geändert hat, ist die Vergrößerung zwischen der Blendeneinheit und der Vorderseite des Objektivs.

Beachten Sie, dass dasselbe Prinzip normalerweise auch für Zoomobjektive mit variabler Blende gilt. Nehmen Sie zum Beispiel ein 18-300 mm 1: 3,5-5,6-Zoomobjektiv. Bei 18 mm ist die Eintrittspupille für 1: 3,5 ungefähr 5,14 mm breit. Bei 300 mm ist die Eintrittspupille für 1: 5,6 mehr als zehnmal so breit wie bei 53,6 mm. Beachten Sie, dass die meisten Zoomobjektive, die bei 300 mm und 1: 5,6 maximal sind, Frontelemente mit einem Durchmesser von etwas mehr als 54 mm aufweisen. Die benötigte Eintrittspupillengröße ist der Grund! Wenn die Eintrittspupille bei 300 mm noch 5,14 mm breit wäre, wie es bei 18 mm und 1: 3,5 ist, wäre die maximale Öffnung bei 300 mm 1: 58!

Warum verwenden nicht alle Zoomobjektive eine ausreichende Vergrößerung, um die Blende über den gesamten Zoombereich konstant zu halten? In erster Linie die Kosten, die mit der zusätzlichen Größe, dem Gewicht und der Komplexität verbunden sind, die zur Herstellung einer Linse mit konstanter Apertur erforderlich sind.

Eine Eintrittspupille kann bei einem Objektiv mit engem Blickwinkel nicht viel größer sein als der Durchmesser des Frontelements des Objektivs. Bei 200 mm erfordert eine Blende von 1: 5,6 eine Eintrittspupille mit einem Durchmesser von fast 36 mm. Die meisten aktuellen Wechselobjektive haben einen mindestens so großen Durchmesser, da die Befestigungsflansche der meisten modernen Wechselobjektivkameras einen Durchmesser von etwa 42 bis 54 Millimeter haben. (Bitte beachten Sie, dass es sich um die Breite des Lochs im Montageflansch handelt, nicht um den Abstand des Montageflanschs vor der Sensor- / Filmebene, der als Registrierungsabstand bezeichnet wird.) Bei 200 mm an Bei einer Blende von 1: 2,8 ist eine Eintrittspupille mit einer Breite von ca. 71,4 mm erforderlich. Dazu muss die Linse einen deutlich größeren Durchmesser haben als das Loch im Montageflansch.

Der Objektivtubus und alle Teile des Objektivs, die den optischen Weg umgeben, müssen nicht nur größer sein und erfordern daher größere Mengen des Rohmaterials, aus dem sie hergestellt sind, sondern die tatsächlichen optischen Elemente müssen auch beide einen größeren Durchmesser haben und dicker, um die gleichen Brechungswinkel beizubehalten. Die größeren Linsenelemente führen auch mehr Aberrationen ein, die korrigiert werden müssen. Häufig sind die teuersten Materialien in einer Linse diejenigen, die zur Herstellung dieser optischen Korrekturelemente verwendet werden. Das Hinzufügen von Elementen zur Korrektur von Dingen wie chromatischer Aberration kann zu zusätzlichen Problemen wie geometrischer Verzerrung führen, die noch mehr zusätzliche Elemente zur Korrektur erfordern. Daher müssen nicht nur die gesamte Linse und viele der darin enthaltenen optischen Elemente größer sein, sondern es sind auch mehr optische Komponenten aus teureren Materialien erforderlich.

Für die meisten Leute, wenn sie nicht wirklich diese größere Blende benötigen , würden sie genauso schnell ein leichteres, kleineres Objektiv mit sich führen, für das sie viel weniger bezahlt haben.

Die Qualität eines modernen Zoomobjektivs ist bei allen Herstellungsproblemen hervorragend. Dem Hersteller wäre nichts lieber, als die maximale Blende während des gesamten Zooms konstant zu halten. Das ist leichter gesagt als getan.

Die Blendenzahl ist ein Verhältnis. Mathematisch teilen wir die Brennweite durch den Arbeitsöffnungsdurchmesser, um die Blendenzahl zu berechnen. Dieser Wert muss ein Verhältnis sein, da ein Verhältnis dimensionslos ist. Mit anderen Worten, eine 1: 4-Linse überträgt unabhängig von den Abmessungen der Linse die gleiche Lichtenergie auf Film oder Sensor. Als Beispiel dient ein 100-mm-Objektiv mit einer Blende von 25 mm Durchmesser bei 1: 4. Diese Aufhellung liefert die gleiche Bildhelligkeit wie ein astronomisches Teleskopsystem mit einer Brennweite von 4000 mm und einer Arbeitsöffnung von 1000 mm. Beide belichten den gleichen Blick gleich.

Wir brauchen das f-Zahlensystem, weil es das Chaos beseitigt. Jedes Objektiv, das auf die gleiche Blendenzahl wie jedes andere Objektiv eingestellt ist, liefert die gleiche Bildhelligkeit. Dies liegt daran, dass die Brennweite und der Öffnungsdurchmesser miteinander verflochten sind. Wenn Sie auf eine höhere und höhere Vergrößerung zoomen, wird das Bild dunkler. Stellen Sie sich vor, Sie entfernen einen Projektor immer weiter von einer weißen Wand. Wenn Sie den Projektor von der Wand entfernen, wird das projizierte Bild an der Wand größer und das Bild wird dunkler, da das Licht mehr Oberfläche bedecken muss. Dasselbe gilt für ein Zoomobjektiv.

Irgendwie muss der Objektivhersteller dies ausgleichen, oder es kann keine konstante Blendenzahl während des gesamten Zooms aufrechterhalten werden. Die meisten Zooms können keine konstante Blendenzahl beibehalten. Es wird zu teuer und der Umsatz geht verloren, weil Sie sich aus dem Markt verdrängt haben.

Wie kann man eine konstante Blendenzahl während des gesamten Zooms beibehalten? Die Irisblende befindet sich hinter der beweglichen Linsengruppe. Die vordere Gruppe wirkt wie eine Lupe, um den scheinbaren Durchmesser der Iris von vorne gesehen größer erscheinen zu lassen. Durch diese Anordnung kann immer mehr Licht durch die Iris dringen, wenn das Objektiv auf immer höhere Vergrößerungen zoomt. Eine solche Anordnung und Wirkung der Vorwärtslinsenelemente induziert Verzerrungen und Aberrationen, die korrigiert werden müssen. Diese Korrektur erfordert komplexe Linsenelemente, die sich präzise bewegen müssen. Dies erhöht die Kosten. Unterm Strich ist ein konstanter Blendenzoom sehr aufwendig in der Herstellung.

Ob ein Zoomobjektiv mit konstanter oder variabler Blende arbeitet, hängt zum einen mit dem Design zusammen, zum anderen mit mechanischen Faktoren wie dem Öffnen oder Schließen einer Blende.

Bei einem Zoomobjektiv werden einige Elemente bewegt, um die Brennweite zu ändern. Dies funktioniert aufgrund der Gleichung für die Brennweite einer dicken Linse:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Wo Phi die optische Gesamtleistung der dicken Linse ist, sind phi_1 und phi_2 die optische Leistung der ersten und zweiten Oberfläche, t ist die Dicke zwischen ihnen und n ist der Brechungsindex der Linse. EFL steht für effektive Brennweite und wird umgangssprachlich als Brennweite bezeichnet.

Jedes optische System, das eine beliebige Anzahl von Elementen enthält, kann genau als einzelne dünne Linse modelliert werden. Diese Gleichung gilt auch für dünne Linsen, aber der t / n-Term verschwindet, da t = 0 ist. Ein 50 mm 1: 1,8-Objektiv kann als einzelnes dünnes Objektiv mit einer Brennweite von 50 mm modelliert werden, ebenso wie ein Objektiv mit einer Brennweite von 18 bis 300 mm, das auf 50 mm eingestellt ist.

Mit dieser Formel können Sie auch 2 dünne Linsen modellieren. Solange die Objektive positiv sind, können Sie feststellen, dass der t / n-Ausdruck größer wird, wenn Sie sie weiter auseinander schieben. Wenn es wächst, nimmt die Leistung ab und die Brennweite wird größer.

Dies ist die Essenz eines Zoomobjektivs.

Sobald Sie eine Aperturblende in ein optisches System einführen, haben Sie sogenannte Eingangs- und Ausgangspupillen . Die Eintrittspupille ist das Bild der Aperturblende, die von den Elementen davor gebildet wird, und die Austrittspupille ist das Bild der Aperturblende, die von den Elementen dahinter gebildet wird.

Die Pupillen haben eine Position und Größe wie ein Linsenelement oder die eigentliche Aperturblende. Die f / # von einer Linse kann durch angenähert werden ,

(3) f / # = EFL / EPD

Wobei f / # das 'Brennweitenverhältnis' ist, EFL die effektive Brennweite ist und EPD der Eintrittspupillendurchmesser ist.

Stecken wir eine Blende in die Mitte zweier dünner Linsen, die durch Luft getrennt sind. Wenn wir die EFL des Linsensystems erhöhen, indem wir das Objektiv nach vorne bewegen, ändert sich die EPD mit. Wenn wir die EFL der Linse erhöhen, indem wir die Linse hinten nach hinten bewegen, ändert sich die EPD nicht, da diese Linse die Eintrittspupille in keiner Weise beeinflusst.

Es kommt vor, dass die Vergrößerung der für die EPD verantwortlichen Aperturblende mit der Brennweite zunimmt , es sei denn, Sie machen einen extrem großen Zoombereich. Da sich sowohl der Zähler als auch der Nenner von (3) um den gleichen relativen Betrag geändert haben, ist das Verhältnis immer noch das gleiche, und daher hat sich unser Objektiv möglicherweise von 70 mm auf 200 mm bewegt und eine Blende von 1: 4 beibehalten.

Wenn wir das Objektiv nach hinten verschoben hätten, wäre es durch Zoomen von 70 mm auf 200 mm auf etwa 1: 10 verlangsamt worden.

Ein modernes Zoomobjektiv verfügt über 3 oder 4 Zoomgruppen, daher ist es komplizierter als diese einfache Erklärung. Wenn sich alle vor der Blende befinden, ist dies immer noch der Fall. Befinden sich die meisten davon vor der Aperturblende, neigt der Hersteller dazu, die Blende so zu programmieren, dass sie sich öffnet / schließt, während das Objektiv zoomt, und den Spalt zu verkleinern, damit es sich wie ein Objektiv mit konstanter Apertur verhält.

Sie fragen sich vielleicht, warum Sie nicht einfach alle Gruppen vor die Haltestelle stellen und damit fertig sind - es gibt zwei Hauptmotive:

1) Wenn Sie das gesamte Zoomen vor der Blende erzwingen, ist das Objektiv notwendigerweise länger als wenn es auf beiden Seiten zoomen könnte.

2) Es ist einfacher, eine gut korrigierte Linse zu entwerfen, wenn Sie die Position der Elemente auf beiden Seiten ändern dürfen.