Por que a imagem não fica mais escura quanto mais você aumenta o zoom?

À medida que a distância focal da sua lente aumenta, menos fótons passam pela lente para atingir o espelho / sensor.

Por que você não vê escurecer quando olha para o visor e aproxima o zoom com uma lente de zoom e o brilho vice-versa?

Por que as lentes telefoto não precisam de tempos de obturador mais longos do que as lentes grande angular?

A resposta a esta pergunta gira em torno de explicar como as lentes de zoom funcionam porque você está correto em sua observação: À medida que você aumenta o zoom para ampliações cada vez maiores, a imagem diminui, a menos que seja aplicada alguma compensação. Suponha que você faça zoom de 25 a 50 mm, se o diâmetro de trabalho da abertura permanecer inalterado, o brilho da imagem sofrerá uma perda de 4x em relação à sua intensidade. Em outras palavras, cada duplicação da distância focal diminui, será apenas 25% mais brilhante do que era antes do zoom. Se verdadeiro, como é evitada essa perda de luz?

A quantidade de energia luminosa que pode entrar na lente está diretamente relacionada ao diâmetro de trabalho do diafragma da íris (abertura). Quanto maior o diâmetro de trabalho, maior a área de superfície, mais luz a lente pode reunir.

A lente zoom moderna tem um truque na manga que mantém o brilho da imagem com a mesma profundidade na maior parte do zoom. Alguns zooms avançados mantêm o brilho da imagem em todo o zoom. Como isso funciona: O diâmetro da abertura, visto ao olhar para a lente pela frente, parece maior do que realmente é. Isso ocorre porque o grupo frontal de elementos da lente zoom amplia, portanto, o diâmetro desse círculo de entrada parece maior que a realidade.

Além disso, à medida que você aumenta o zoom, a distância do grupo de lentes frontais e do diafragma da íris também muda. Isso induz uma aparente mudança de diâmetro. O fato de ser aparente e não uma mudança real não é importante. Do lado de fora, essa alteração parece real e essa ação permite que mais e mais energia luminosa entre à medida que você aumenta o zoom.

Como eu disse anteriormente, alguns zooms avançados são bons para percorrer todo o zoom. Estes são chamados de zooms de abertura constante. Os zooms com preços mais baixos mantêm uma abertura constante até os últimos 80% ou mais do zoom; eles falham e sofrem a perda de luz que você está perguntando.

O sistema de numeração f / stop é especialmente inventado para garantir que diferentes lentes no mesmo número f / stop tenham a mesma exposição. Isso inclui suas lentes grande angular e telefoto. Número F / stop = distância focal / diâmetro efetivo da abertura.

Além disso, a lente grande angular pode coletar um total mais geral de fótons (de uma área maior). No entanto, uma distância focal duas vezes maior (100 mm vs 50 mm) faz com que o assunto pareça 2x maior, exceto que nossa lente telefoto (e o mesmo tamanho de sensor) corta nossa visão em 1/4 da área ainda visível. Supondo que o assunto fosse uma grande parede em branco uniformemente iluminada (sem áreas especiais para complicar isso), então vemos 1/4 da luz (fótons, seu argumento), mas em 1/4 da área, que é a mesma luz por unidade de área. A exposição refere-se à luz por unidade de área, não ao total de fótons em toda a área do quadro (uma borda brilhante do lado direito do quadro adiciona fótons, mas não altera a exposição adequada de um lado escuro do lado esquerdo).

Por que a imagem não fica mais escura quanto mais você aumenta o zoom?

Se o tamanho da pupila de entrada permanecer constante, isso ocorre.

Mas muito poucas lentes de zoom, mesmo aquelas com aberturas máximas variáveis, mantêm o mesmo tamanho de pupila de entrada que a lente é ampliada.

À medida que a distância focal da sua lente aumenta, menos fótons passam pela lente para atingir o espelho / sensor.

Novamente, somente se o tamanho da pupila de entrada permanecer constante.

Mas, para manter o mesmo número f, é necessário que o diâmetro da pupila de entrada aumente na mesma taxa que a distância focal. Se você dobrar a distância focal, também deverá dobrar o diâmetro da pupila de entrada, que quadruplica a área do ep, para manter o mesmo número f.

O tamanho físico do diafragma é apenas parte do que determina a abertura máxima, expressa como um número f, de uma lente. A ampliação entre a frente da lente e a localização do diafragma também desempenha um papel. O número f de uma abertura é determinado pela razão da distância focal da lente dividida pelo diâmetro da pupila de entrada , geralmente chamada de abertura efetiva.

Em linguagem simples, o diâmetro da pupila de entrada é definido pela largura da abertura do diafragma quando vista pela frente da lente .

No seu exemplo, uma lente de 14 mm com um ângulo de visão de 114 ° possui uma pupila de entrada de 5 mm de largura em f / 2.8. Para DSLRs e até para a maioria das câmeras sem espelho, uma lente de 14mm é o que é chamado de design de retrofoco. É mais ou menos o equivalente a uma lente telefoto virada para trás. Portanto, a 'ampliação' entre o diafragma de abertura e a frente da lente é negativa. Ou seja, a pupila de entrada parece menor que o tamanho real do diafragma físico! Por outro lado, uma lente de 90 mm com um ângulo de visão de 27 ° requer uma pupila de entrada de 32 mm de diâmetro para f / 2.8. Essa área é 6.4X mais ampla, ou 41X mais que a pupila de entrada de 5mm da lente de 14mm em f / 2.8.

Quando as lentes de zoom de abertura constante são movidas para alterar a distância focal, a ampliação entre a frente da lente e o diafragma é o que normalmente muda, e não o tamanho físico do diafragma. Essa mudança na ampliação é o que permite à pupila de entrada parecer maior em distâncias focais mais longas e menor em distâncias focais mais curtas para o mesmo diafragma físico. Uma lente 70-200mm f / 2.8 tem uma pupila de entrada com 25mm de diâmetro a 70mm ef / 2.8. A 200mm, a pupila de entrada em f / 2.8 tem um pouco mais de 71mm de largura. O diafragma físico real é do mesmo tamanho nos dois casos. O que mudou é a quantidade de ampliação entre o conjunto do diafragma e a frente da lente.

Observe que esse mesmo princípio geralmente também está em jogo com as lentes de zoom de abertura variável. Pegue, por exemplo, uma lente zoom 18-300mm f / 3.5-5.6. Aos 18mm, a pupila de entrada para f / 3.5 tem aproximadamente 5.14mm de largura. A 300mm, a pupila de entrada para f / 5.6 é mais de dez vezes a 53.6mm de largura. Observe que a maioria das lentes com zoom máximo de 300 mm e f / 5.6 possui elementos frontais ligeiramente maiores que 54 mm de diâmetro. O tamanho necessário da pupila de entrada é o motivo! Se a pupila de entrada em 300 mm ainda tivesse 5,14 mm de largura, como está em 18 mm ef / 3,5, a abertura máxima em 300 mm seria f / 58!

Então, por que nem todas as lentes de zoom usam ampliação suficiente para permanecer com abertura constante em toda a faixa de zoom? Principalmente o custo associado ao tamanho, peso e complexidade adicionais necessários para produzir uma lente de abertura constante.

Suas pupilas dilatam para compensar enquanto olham pelo visor.

Sim, seu raciocínio está correto, a imagem fica mais escura à medida que você aumenta o zoom, assumindo que todos os outros fatores permanecem inalterados .

Quando o modo de exposição automática é usado, sua câmera simplesmente compensa o escurecimento ajustando o tempo de exposição, ISO ou abertura. Alterne para o modo manual ou examine as configurações de foto exibidas durante o zoom para ver as relações entre esses parâmetros e o brilho aparente.