Wie funktionieren Zoom-Objektive mit konstanter Blende?

Günstigere Zoomobjektive sind in der Regel am breiten Ende schneller und am langen Ende langsamer (z. B. die 150-Dollar-Canon EF-S 1: 3,5-5,6 (18-55 mm)). Teurere Zoom-Objektive mit konstanter Blende haben unabhängig von der Blende dieselbe Blende (z. B. 800 US-Dollar Canon EF 17-40 mm 1: 4,0 l).

Meine Frage ist: Sind diese guten Objektive in den größeren Einstellungen schleifbar oder haben sie ein anderes Optiksystem, mit dem sie über den gesamten Zoombereich die gleiche Blende beibehalten können?

Leider deuten die anderen Antworten nicht mehr als auf die Motivation hin, die bei der Auswahl des einen oder anderen Designs auftreten könnte. Keiner von ihnen deutet wirklich darauf hin, wie sich Zooms mit fester und variabler Blende wirklich unterscheiden.

Es gibt tatsächlich einen ziemlich fundamentalen Unterschied im Design. Die Blende (der Teil, der die Blende bildet) befindet sich in fast jeder Linse in der Mitte der Linse. Bei einem Zoom mit fester Blende bewegen sich nur die Elemente hinter der Blende, um zu zoomen. Beim Zoomen mit variabler Blende bewegen sich die Elemente hinter und vor der Blende, um das Zoomen durchzuführen.

Zumindest im üblichen Fall ist der Durchmesser der Öffnung ist nicht ändern , wie Sie vergrößern oder verkleinern. Dies ist recht einfach zu überprüfen - nehmen Sie Bilder mit unterschiedlichen Zoomverhältnissen und maximaler Blende mit einigen unscharfen Lichtern auf. Zumindest bei einem typischen Zoomobjektiv bleiben die unscharfen Glanzlichter bei allen Brennweiten rund, was darauf hinweist, dass die Blende weit offen bleibt (wo sie rund ist). Halten Sie das Objektiv einige Male an und Sie werden sehen, wie sich die Form der Blendenlamellen schließt (obwohl Linsen mit vielen Lamellen, insbesondere abgerundeten, fast rund aussehende Glanzlichter etwas mehr als andere aufweisen).

Wenn sich die Elemente vor der Blende während des Zoomens bewegen, ändern Sie die (effektive) Brennweite dieses Teils des Objektivs. Sie lassen dann Licht durch eine Blende mit festem Durchmesser durch, was bedeutet, dass sich die (effektive) Blende ändert. Da dies nur durch die Änderung der effektiven Brennweite der Elemente vor der Blende beeinflusst wird, korreliert die Änderung (normalerweise) nicht genau mit der Änderung der effektiven Gesamtbrennweite - das Bewegen der Elemente hinter der Blende ändert die effektive Brennweite Länge ohne Änderung der effektiven Blende (z. B. mein 28-135 hat einen Zoombereich von fast 5: 1, aber die Blende ändert sich nur von 1: 4,0 bis 1: 4,5).

Sie haben unterschiedliche Optiken und sind in der Regel wesentlich größere Objektive für den gleichen Brennweitenbereich (vergleichen Sie eine 70-200 mm 1: 2,8 mit einer 70-300 mm 1: 4,5-5,6 und stellen Sie fest, dass letztere im Vergleich klein ist). Um die konstante Blende am langen Ende zu erhalten, muss der Tubus größer sein, da die Blende im Verhältnis zur Brennweite steht. Wenn Sie jedoch für Ihre Beispiele rechnen:

18 mm 1: 3,5 bedeutet eine Öffnung von 5,14 mm. 55 mm 1: 5,6 bedeutet eine Öffnung von 9,82 mm

17 mm 1: 4,0 bedeutet eine Öffnung von 4,25 mm. 40 mm 1: 4,0 bedeutet eine Öffnung von 10 mm

Es ist klar, dass der physikalische Durchmesser der Blende in beiden Fällen größer sein kann. In beiden Fällen würden Sie also theoretisieren, dass Sie am breitesten Ende in der Lage sein sollten, 1: 2,0 oder so zu sein, und Ihr Sandsack-Szenario würde dann auf beide zutreffen. Zum anderen kann für letztere die Optik vereinfacht werden und sich damit einer Spitzenqualität annähern. Also ... Kompromisse.

In jedem Fall ist der Aufbau von Zooms ziemlich komplex, viel mehr als bei einem erstklassigen Objektiv. Daher gibt es viele Überlegungen zur optischen Korrektur bei verschiedenen Brennweiten, zum Einfluss der Blende auf diese Korrektur usw. Angesichts des Linsendesigns und der damit verbundenen Kosten kann ein Versuch, am kurzen Ende breiter zu werden, zu einer äußerst inakzeptablen Weichheit des Bildes oder zu einigen anderen Formen von Abberation führen.

Schließlich gibt es mit Sicherheit unterschiedliche optische Konstruktionen zwischen den beiden. Heck, es gibt unterschiedliche optische Konstruktionen zwischen Objektiven der gleichen Konfiguration, aber unterschiedlicher Hersteller. Es kommt alles auf die Kosten im Vergleich zum Nutzen an und letztendlich auf den Preis, den der Markt für eine Linse einer bestimmten Konstruktion tragen wird.

Einfach ausgedrückt bedeutet das Verhältnis 1: 4,0, dass die effektive Größe der Blende die Brennweite geteilt durch 4 ist. Bei einem 1: 4,0 von 600 mm bedeutet dies nicht, dass es buchstäblich ein Loch von 150 mm gibt, in dem sich die Blendenlamellen befinden, sondern nur das Objektiv verhält sich so, als gäbe es. (Wenn Sie sich das Design der Canon 600 f / 4.0 ansehen, ist klar, dass in der Mitte des Objektivs kein Platz für eine 150-mm-Öffnung vorhanden ist.)

Dies ist das Prinzip bei Objektiven mit konstanter Blende. Die Größe der virtuellen Blende ändert sich über den gesamten Zoombereich hinweg, obwohl die Größe der physischen Blende im Gesicht eindeutig gleich bleibt.

Alle Zooms ändern die Größe der virtuellen oder effektiven Blende während des Zoomens. "Konstante Blende" (wirklich konstantes f-Verhältnis) ändert einfach die Blende genug, um das Verhältnis von Blende zu Brennweite gleich zu halten. Das Design von Objektiven mit "konstanter Blende" unterscheidet sich nicht grundlegend, nur in dem Maße, in dem sich die scheinbare Blende ändert.

Um die Zahlen aus Johns Antwort zu stehlen (um sie nicht noch einmal zu bearbeiten), sind die virtuellen Öffnungen für die beiden genannten Objektive wie folgt:

Canon EF-S 18-55 mm 1: 3,5-5,6 5,14 mm @ 18 mm - 9,82 mm @ 55 mm

Canon EF 17-40 mm 1: 4,0 4,25 mm bei 17 mm - 10 mm bei 40 mm

Wenn die Optik in der 18-55 die virtuelle Apertur am langen Ende auf 15 mm bringen würde, wäre dies ein Objektiv mit konstanter Apertur (@ f / 3,5). Dies wäre jedoch aufgrund des [relativ] großen Zoombereichs sehr teuer, weshalb as ein billiges objektiv bleibt es f / 5.6

In der Linse mit konstanter Blende findet kein Sandsack statt, am breiten Ende versucht die Linse so viel wie möglich, es ist nur so, dass sie sich am langen Ende schneller verhält!

Meine Frage ist, ob diese guten Objektive bei größeren Einstellungen eine Sandsackbildung aufweisen oder ob sie ein anderes optisches System haben, mit dem sie über den gesamten Zoombereich die gleiche Blende beibehalten können.

Denken Sie daran, dass bei Verwendung einer Blendenzahl zur Darstellung der Blende diese als Bruchteil der Brennweite ausgedrückt wird. Wenn Sie also zoomen, wird derselbe effektive Blendendurchmesser als eine andere Zahl dargestellt. 1: 2,8 bei 20 mm ist die Hälfte des effektiven Öffnungsdurchmessers von 1: 2,8 bei 40 mm. Ihr Zoom mit konstanter Blende bedeutet also nicht, dass Sie über den gesamten Zoombereich hinweg dieselbe Blende beibehalten. In der Tat, ein 18-55 Zoom , die die gleiche Öffnung wirksam hält Durchmesser im gesamten Zoombereich etwas wie f / 3,5-10,7 wäre.

Somit behält keiner der Zoomobjektivtypen den gleichen effektiven Öffnungsdurchmesser bei. Es ist zu beachten, dass der effektive Durchmesser nicht unbedingt der wahre Durchmesser des Blendenrings ist, da ein Teil des Zoomeffekts darin besteht, dass der Blendenring selbst vergrößert wird. Entscheidend ist jedoch der effektive Durchmesser .

Objektivdesigner kämpfen um die Lösung einer Reihe von Problemen, darunter chromatische Aberration, Verzerrung, Schärfe und Vignettierung. Bei einem Zoomobjektiv ist dies umso schwieriger, als diese Probleme nicht nur bei einer einzigen Brennweite, sondern über den gesamten Zoombereich hinweg gelöst werden müssen. Alle Objektivkonstruktionen machen jedoch Kompromisse, nur weil es so viele gegensätzliche Kräfte gibt. Bei einem Zoomobjektiv entscheiden die Objektivdesigner, mit welcher Blende sie bei jeder Brennweite im Zoombereich auskommen können, ohne dass zu viel Weichzeichnung oder andere Probleme wie Vignettierung auftreten.

Es ist wünschenswert, dass ein Zoomobjektiv am Teleende einen wesentlich größeren effektiven Öffnungsdurchmesser hat als am breiten Ende, da bei einer Vergrößerung des Bildes mehr Licht benötigt wird, damit die gleiche Menge auf den Sensor / Film fällt. Das heißt, Sie müssen viel breiter sein, nur um die gleiche Blendenzahl zu erreichen.

Günstigere Zooms beeinträchtigen die Geschwindigkeit am Teleende oftmals stärker als teurere.

Zooms mit konstanter Blende wie der von Ihnen erwähnte Canon EF 17-40 mm 1: 4,0 L machen einen anderen Kompromiss. Sie geben sich viel mehr Mühe, um eine größere effektive Blende am Teleende zu erzielen. Infolgedessen verwenden sie jedoch mehr Glas und erzeugen eine schwerere Linse. Da auch alles ein Kompromiss ist, möchten sie nicht, dass die Blende am Teleende breiter wird, um die Weichheit oder Vignettierung am breiten Ende zu erhöhen, sodass die maximale Blende des breiten Endes begrenzt wird. So erhalten Sie ein anderes Gleichgewicht der Blendengrößen als bei der billigeren, leichteren "variablen" (in Wirklichkeit weniger Variation im Hinblick auf den tatsächlichen Blendendurchmesser) Blendenzoom, und alles, was wirklich davon abhängt, ist, welche Art von Kompromissen getroffen wurden das Linsendesign.

Es ist eine Frage der richtigen Kombination von konkaven und konvexen Elementen, um den Lichtverlust im gesamten Zoombereich zu verringern. Während das f / 4.0 so aussieht, als ob Sie durch die schnellere Blende betrogen würden, ist es eher ein Ergebnis des Erhaltens eines so scharfen Bildes ohne chromatische Aberration, während Sie über Ihren Zoom- und Brennweitenbereich hinweg ein konsistentes Timing und Licht beibehalten.

Canon hat einige sehr gute Literatur, die all dies erklärt, und wie die optische Beugung in einigen ihrer neueren Objektive verwendet wird, um allen bisherigen Nachteilen der normalen Optik entgegenzuwirken. Ich werde es veröffentlichen, sobald ich es wieder finde.

Komischerweise ist die (derzeit) akzeptierte Antwort völlig falsch. Entweder das, oder die Terminologie von "vor der Blende" und "hinter der Blende" wird eher von der Seite des Sensors gesehen (was nicht viel Sinn macht) als von der Frontlinse.

Die Eintrittspupille, das Bild der Aperturöffnung bei Betrachtung durch die Frontlinse, hat einen Durchmesser proportional zur Brennweite beim Zoomen mit konstanter numerischer Apertur (womit Fotografen arbeiten und der üblicherweise der Öffnungsgröße der physikalischen Apertur entspricht) Klingen). Offensichtlich erfordert diese Änderung der scheinbaren Größe eine Änderung der Linsenelemente zwischen der Apertur und der Frontlinse. Diese Änderung reicht aus, um die gewünschte Änderung der Brennweite bei konstanter numerischer Zahl zu beeinflussenBlende in einfachen Ausführungen; Ein modernes Zoomobjektiv enthält jedoch weit mehr Elemente als nur die für die Bestimmung der Brennweite verantwortlichen Elemente: Viele Korrekturelemente sind ebenfalls beteiligt. Ob sich also eine der hinteren Gruppen zusätzlich zu den vorderen Gruppen bewegt, ist eine Frage des genauen optischen Rezepts.