Quando você aumenta o zoom com uma lente em uma SLR, por que a lente entra e sai?

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Eu acho que isso é mais uma questão de óptica do que de fotografia, mas eu acabei de obter uma SLR com uma lente 18-55 básica. Notei que, quando passamos de 18 para 55 ou 55 para 18, a lente volta fisicamente e depois volta fisicamente?

O que está acontecendo lá? Eu pensaria que, se estou ampliando a lente, deveria sair 100% do tempo, mas a lente realmente sai e depois volta.

zgirod
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@mattdm Ambas as respostas existentes estão corretas - depende da lente. É por isso que ambos parecem plausíveis. Um zoom que tenha uma distância focal mais curta em qualquer ponto que a distância do flange ao sensor deve ser retrofocal. Da mesma forma, se o centro óptico estiver mais próximo do centro do que a distância focal aparente em qualquer ponto, deverá ser telefoto. Algumas lentes são ambas, dependendo da configuração da distância focal. A Nikon 18-200 deve ser retro em 18 mm, mas tem apenas 162 mm de comprimento totalmente estendida. Adicione a distância do flange e, em seguida, explique a localização do centro óptico da lente: é telefoto. QED
Você poderia tirar a lente do corpo, olhar para o elemento mais à retaguarda e nos dizer como ele se move quando você aumenta o zoom de 18 a 55 mm?
Edgar Bonet
Como eu entendo a resposta de Dragonlord, a explicação é que as lentes retrofocal aumentar em extensão como eles zoom out , e lentes de telefoto aumentar em extensão como eles zoom em , e que este tipo de cruzes lente entre os dois. A resposta de Edgar Bonet diz que essa "alternância" de direção da extensão da lente acontece mesmo com projetos totalmente retrofocais , e que se a lente também for telefoto quando ampliada o suficiente, isso é acidental. Qual destes é verdade?
mattdm
@ EdgarBonet - o movimento da parte traseira e da frente) por si só não é suficiente para determinar de qualquer maneira uma determinada lente; você precisaria levar a lente para grupos e helicoides para ter certeza de que o design não foi publicado.
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@Zach: você pode cancelar a resposta do DragonLord de acordo com o pedido dele? Veja abaixo ....
mattdm

Respostas:

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Não existe uma relação simples entre o comprimento físico da lente e seu comprimento focal. Por exemplo, um grande angular retrofoco geralmente é mais longo que sua distância focal, enquanto uma lente telefoto é menor que sua distância focal. Dentro de um zoom, você tem vários grupos de lentes que se movem independentemente. A distância focal do zoom depende das posições relativas dos grupos e nem sempre está relacionada simplesmente ao comprimento físico da lente. Dito isto, a explicação mais simples possível para esse comportamento é que o zoom pode ter um design simples de retrofoco.

Zoom de retrofoco

Um zoom de retrofoco é feito de apenas dois grupos. O grupo frontal, com poder de refração negativo e distância focal (negativa) f 1 , cria uma imagem intermediária virtual do objeto em algum lugar na frente da lente. Esse grupo funciona como os óculos que as pessoas míopes usam: traz o objeto "mais perto dos olhos". A distância focal deste grupo é próxima a -35 mm.

O grupo traseiro, de potência refrativa positiva, transforma no sensor uma imagem real invertida dessa imagem virtual intermediária. A imagem intermediária é o "objeto" para este grupo. A imagem final é como uma cópia invertida da imagem virtual, dimensionada por um fator de ampliação m 2 próximo a -1, o que é negativo porque a imagem final é invertida.

Supondo que o objeto esteja no infinito, toda a lente tem uma distância focal f  =  f 1 × m 2 . Este é um produto de dois números negativos e o resultado é positivo.

lente de retrofoco

No desenho simplificado acima, o primeiro grupo é a lente L1, o segundo grupo é a lente L2, o zoom é focado no infinito, a imagem intermediária está à esquerda, a uma distância x de L2, e o sensor está em P A ampliação de L2 é m 2 = - x '/ x .

Com esse design, é fácil ampliar a lente movendo o segundo grupo. Quando esse grupo está mais próximo do sensor, ele fornece uma pequena ampliação (por exemplo, cerca de -0,5) e, portanto, uma distância focal mais curta para toda a lente. Quando é movido para frente, mais próximo da imagem intermediária, você tem uma ampliação mais alta (por exemplo, -1,6) e, portanto, uma distância focal mais longa para toda a lente.

No entanto, conforme você altera a ampliação desse grupo, a distância entre o objeto (neste caso, a imagem intermediária) e a imagem final muda. Essa distância é mínima quando o grupo está apenas entre o objeto e a imagem, o que acontece quando a ampliação é -1. Você pode verificar isso facilmente usando uma lupa para focar a imagem de uma lâmpada em um pedaço de papel: a distância entre a lâmpada e a imagem focada é mínima quando a imagem tem o mesmo tamanho do objeto. No caso da lente zoom, como a imagem final deve cair em uma posição fixa (no sensor), a imagem intermediária deve ser movida movendo o grupo frontal. Isso explica o comportamento observado do grupo da frente: conforme você amplia a lente de 18 mm a ~ 35 mm, a ampliação m 2vai de ~ -0,5 a -1 e o grupo da frente se aproxima do sensor. À medida que você aumenta o zoom para 55 mm, m 2 passa de -1 a ~ -1,6 e o ​​grupo frontal se afasta do sensor.

Exemplo 1

Este é apenas um modelo (simplificado) teórico para um zoom em que cada grupo é apenas uma lente fina. As distâncias focais dos grupos são -35 mm (grupo frontal) e +35 mm (grupo traseiro). Supondo um objeto no infinito, calculei as configurações do zoom para três distâncias focais. A tabela abaixo mostra as posições dos elementos da lente (em mm do sensor) em função da distância focal em que o zoom está definido:

┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│   18 mm   │  121.1  │    53   │
│   35 mm   │  105    │    70   │
│   55 mm   │  112.3  │    90   │
└───────────┴─────────┴─────────┘

E aqui está um desenho, em escala:

zoom em 18, 35 e 55 mm

O sensor está à direita. A imagem intermediária (não desenhada) fica 35 mm à esquerda do elemento frontal. O interessante é que os movimentos dos grupos (frente e traseira) correspondem ao que eu vi na maioria dos pequenos zooms médios. Um zoom real pode ter mais grupos (o IS foi mencionado), mas apenas dois são realmente necessários para a ação de zoom.

Exemplo 2

Para um exemplo mais realista, consulte esta patente para alguns zooms Nikon 1 . Não é o melhor exemplo, porque essas lentes são destinadas a uma câmera sem espelho. No entanto, uma das modalidades é um zoom de 10 a 30 mm na faixa média (27 a 81 equiv.), Bastante próximo do alcance de 18 a 55 para 1,6 ×.

Eu gosto deste exemplo, apesar das figuras. Por favor, dê uma olhada na figura na página 1 e, mais especificamente, nas setas na parte inferior, abaixo dos rótulos "G1" e "G2". Essas setas mostram a maneira como os grupos se movem quando a lente é ampliada de grande angular (W) para tele (T). Você pode ver que o grupo da frente recua e avança, enquanto o segundo grupo avança monotonamente. É o que eu vi em muitos zooms de largura e médio porte, embora não em todos eles (não na Nikkor 18-70, por exemplo). Você pode notar que o segundo grupo possui alguns subgrupos, incluindo um grupo para foco (Gf) e um grupo para estabilização de imagem (Gs). Esses subgrupos são, no entanto, irrelevantes quando se considera apenas a ação de zoom.

De qualquer forma, o interessante aqui é que, embora alguns dos exemplos fornecidos tenham três grupos de lentes, a maioria (incluindo a "modalidade preferida") possui apenas dois. Citando a patente (parágrafo 077 na página 67):

Um sistema óptico de acordo com a presente modalidade inclui, por ordem do lado do objeto, um primeiro grupo de lentes com poder de refração negativo e um segundo grupo de lentes com poder de refração positivo.

Esta é exatamente a descrição de uma lente de retrofoco.

Exemplo 3

Aqui está outra patente da Nikon que pode ser mais relevante, pois descreve principalmente o tipo 18-55 de zooms APS-C.

Os exemplos 1 e 2 desta patente são para um design de retrofoco tão simples, com um grupo frontal de distância focal -31,51 mm e um grupo traseiro de distância focal +37,95 mm. Nas tabelas de dados, vemos que, quando você amplia a lente de 18 a 55 mm, o grupo frontal se move primeiro para trás (em direção ao sensor) e depois para frente (para longe do sensor), enquanto o grupo traseiro se move monotonamente para frente.

Esta patente mostra também que o design simples de dois grupos que estou descrevendo aqui não é a única opção possível. Considere o exemplo 5 desta patente. Essa lente possui quatro grupos que se movem de maneiras diferentes à medida que a lente é ampliada. Ao aplicar zoom de 18 a 55 mm, o grupo dianteiro recua e depois para frente e o grupo traseiro avança monotonamente. Assim, como visto de fora, ele se parece com o desenho simples de dois grupos do exemplo 1, embora internamente seja bem mais complexo.

Por outro lado, esse design em particular não está muito longe do design simples de retrofoco. Se dizemos que os grupos 2, 3 e 4 constituem uma espécie de "supergrupo", a lente pode ser descrita como um grupo (G1) de poder de refração negativo seguido pelo supergrupo (G234) de poder de refração positivo. Ainda meio que um retrofoco. Essa descrição não é completamente irracional, pois os grupos 2, 3 e 4 se movem mais ou menos da mesma maneira: todos se movem monotonamente para a frente, à medida que a lente é ampliada de larga para tele, e seu movimento médio é maior que os movimentos relativos entre eles. A partir da tabela de dados da lente, calculei a distância focal desse supergrupo e descobri que ela não muda muito: apenas de 38,6 mm na extremidade larga do zoom para 34,8 mm na extremidade tele.

Embora eu tenha investigado apenas algumas patentes, minha conclusão é que algum tipo de design de retrofoco (mas não necessariamente com apenas dois grupos) provavelmente será ampliado se as três condições a seguir forem atendidas:

  • a lente é maior que a distância focal em todas as configurações
  • quando ampliado do zoom para o tele, o elemento frontal se move primeiro para trás (mais perto do sensor) e depois para frente
  • quando ampliado de amplo para tele, o elemento traseiro se move sempre para frente.

É provável que a primeira condição seja sempre atendida pelos zooms SLR com uma distância focal máxima não superior a 55 mm.

PS: Esta resposta foi muito editada para mesclar melhor várias edições. No processo, incorporei um ponto importante levantado por Stan Rogers, a saber, que o design simples não é o único design possível.

Edgar Bonet
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Você pode explicar em linguagem muito simples por que isso faz com que uma lente 18-55 típica comece no comprimento médio, depois diminua e depois aumente?
mattdm
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E, embora eu odeie lhe perguntar, sou negativo, já que a resposta aceita e o artigo da Wikipedia incluem a idéia de que a função do grupo da frente passa de negativa para positiva, você poderia falar um pouco mais sobre isso? Seria particularmente bom mostrar como isso funciona com uma 18-55mm típica. E, como o faria uma lente com a extensão tele / retro projeto se comportam lente wrt?
mattdm
11
@mattdm: uma ampliação de -1 significa que a imagem tem o mesmo tamanho do objeto, mas é revertida. Na macrofotografia, alguém diria "1: 1", esquecendo o sinal. E não é "-1 algo", pois as ampliações não têm unidades. Por “aumentar o zoom (resp. Out)”, quero dizer girar o anel de zoom para distâncias focais mais longas (mais curtas).
Edgar Bonet
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@DragonLord: Se você definir uma telefoto dessa maneira, precisará medir o comprimento da lente desde o elemento frontal até o plano da imagem. Neste exemplo, o comprimento definido dessa maneira é 112,3 mm.
Edgar Bonet
11
Observe que a Canon 18-55 possui cinco grupos independentes: canon.com/camera-museum/camera/lens/ef/data/ef-s/…
bwDraco
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Veja a nota de edição abaixo desta resposta.


A lente é retrofocal na extremidade grande angular e teleobjetiva na extremidade longa. Uma lente de retrofoco é referida como "telefoto invertida" porque é construída de forma semelhante a uma lente telefoto com os elementos invertidos. O efeito diminui à medida que você aumenta o zoom, até atingir cerca de 35 mm, quando a lente começa a se estender e eventualmente se torna uma configuração de telefoto, onde o tamanho da lente, elemento da frente ao elemento da retaguarda, é menor que a distância focal. A lente não é retrofocal nem telefoto entre essas posições. Isso faz com que a lente seja mais longa nos extremos da faixa de zoom do que nas posições intermediárias.

Para obter mais informações sobre esse design, consulte os artigos da Wikipedia sobre o retrofoco Angénieux , que discute a origem do design para o grande angular e as lentes telefoto para o que acontece no longo e longo prazo. De acordo com o artigo da lente telefoto:

As lentes de zoom que são tele-fotos em um extremo da faixa de zoom e o retrofoco no outro agora são comuns.

É essencialmente o que está acontecendo com sua lente de 18 a 55 mm. Tanto quanto sei, as lentes Canon, Nikon, Pentax e Sony (montagem A, não montagem E) de 18 a 55 mm compartilham esse aspecto de design.


Editar: Esta resposta está incorreta porque se baseia em uma definição incorreta de "lente telefoto". Por favor, desconsidere esta resposta; É provável que a resposta de Edgar Bonet esteja correta. Consulte https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

bwDraco
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Essas lentes também costumam ser telefoto na outra extremidade (ao contrário de serem apenas longas) e não serão retrofoco nem telefoto em algum momento da transformação (ou seja, o centro óptico da lente estará na distância focal real) ) Assim, na menor distância focal, o grupo frontal é divergente e a traseira convergente, quanto maior a frente é convergente e a traseira divergente, e no meio tudo funciona como uma lente convergente única e complexa. São muitas partes mudando de lugar.
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@ EdgarBonet, isso pode ser verdade para lentes prime, mas a lente em questão é uma lente zoom. Como tal, a configuração da lente pode mudar de retrofoco para telefoto à medida que você amplia de grande a longo.
bwDraco
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@ EdgarBonet Na verdade, são mais de quatro grupos independentes na vida real (especialmente se houver estabilização de imagem) e não, não é "excessivamente complexo". A transição da telefoto para a configuração retrofocal pode ser explicada pelo movimento relativo de um único grupo no design mais simples possível - a mudança de um grupo convergente entre os grupos divergentes dianteiro e traseiro, tornando o "grupo de grupos" dianteiro e traseiro relativamente mais ou menos convergente / divergente. É realmente um conceito muito elegante.
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O "design mais simples possível" não é opticamente o melhor design. Em vez de mover um "supergrupo" central em relação a dois elementos / grupos divergentes fixos, são os elementos divergentes que se movem em relação ao supergrupo convergente. Quando o elemento divergente da frente estiver mais distante do centro, você estará na distância focal mais curta. Por outro lado, quando o elemento divergente traseiro está mais distante, você fica mais tempo. Quando a lente é a mais compacta, ela atua como uma simples lente de vários grupos (nem retro nem tele). O próprio supergrupo central pode ser varifocal.
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Não desejo excluir a resposta, mas estou disposto a perder a aceitação. Essa resposta, no entanto, demonstra um equívoco no design das lentes, portanto pode ser útil para algumas pessoas. Embora tecnicamente esteja errado, obviamente não está errado, então vou mantê-lo como aconselha a resposta vinculada do MSO.
bwDraco
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Com a maioria dos designs de lente de zoom à medida que você aumenta o zoom, o corpo da lente e o elemento frontal se estendem, isso é verdade.

Mas existem algumas lentes como a Canon EF 24-70 em que a lente é totalmente estendida em 24 mm e totalmente retraída em 70 mm. Então, a julgar pelos elementos da frente, parece estar trabalhando para trás!

E existem lentes IZ (zoom interno) nas quais o elemento frontal não se move.

Qualquer lente terá muitos grupos de elementos, alguns dos quais serão movidos para fora e outros para dentro. Eu acho que a resposta mais simples é que você não pode apenas julgar pelo que vê o cano e o elemento dianteiro fazendo, há muito mais acontecendo lá dentro. Alguns designs de lentes são muito complicados. Ficarei muito interessado se alguém puder postar uma imagem simples para explicar como esse design de lente específico funciona.

MikeW
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