Il n'y a pas de relation simple entre la longueur physique de la lentille et sa distance focale. Par exemple, un grand angle de mise au point est généralement plus long que sa longueur focale, alors qu'un téléobjectif est plus court que sa longueur focale. Dans un zoom, vous avez plusieurs groupes d’objectifs qui se déplacent indépendamment. La distance focale du zoom dépend des
positions relatives des groupes et n'est pas toujours simplement liée à la longueur physique de l'objectif. Cela étant dit, l' explication la plus simple possible pour ce problème est que votre zoom peut être d'un simple design rétrofocus.
Retrofocus zoom
Un
zoom rétrofocus est composé de deux groupes seulement. Le groupe avant, de puissance de réfraction négative et de distance focale (négative) f 1 , crée une image intermédiaire virtuelle de l’objet quelque part devant l’objectif. Ce groupe fonctionne un peu comme les lunettes que portent les myopes: il rapproche l’objet. La distance focale de ce groupe est proche de -35 mm.
Le groupe arrière, de puissance réfractive positive, crée sur le capteur une image réelle inversée de cette image virtuelle intermédiaire. L'image intermédiaire est «l'objet» pour ce groupe. L'image finale est comme une copie inversée de l'image virtuelle, mise à l'échelle par un facteur d'agrandissement
m 2 proche de -1, qui est négatif car l'image finale est inversée.
En supposant que l’objet soit à l’infini, l’objectif entier a une focale
f = f 1 × m 2 . Ceci est un produit de deux nombres négatifs et le résultat est positif.
Dans le dessin simplifié ci-dessus, le premier groupe est l’objectif L1, le second groupe l’objectif L2, le zoom est mis au point à l’infini, l’image intermédiaire est à gauche, à une distance x de L2, et le capteur est à P Le grossissement de L2 est m 2 = - x '/ x .
Avec cette conception, il est facile de zoomer l'objectif en déplaçant le deuxième groupe. Lorsque ce groupe est proche du capteur, il fournit un petit agrandissement (environ -0,5) et donc une distance focale plus courte pour l’ensemble de l’objectif. Lorsque vous le déplacez vers l'avant, plus près de l'image intermédiaire, vous obtenez un grossissement plus élevé (environ -1,6) et une distance focale plus longue pour l'ensemble de l'objectif.
Toutefois, lorsque vous modifiez le grossissement de ce groupe, la distance entre l'objet (dans ce cas l'image intermédiaire) et l'image finale change. Cette distance est minimale lorsque le groupe se trouve juste entre son objet et son image, ce qui se produit lorsque le grossissement est de -1. Vous pouvez vérifier cela facilement en utilisant une loupe pour focaliser l'image d'une ampoule sur un morceau de papier: la distance entre l'ampoule et l'image focalisée est minimale lorsque l'image a la même taille que l'objet. Dans le cas du zoom, étant donné que l'image finale doit tomber à une position fixe (sur le capteur), l'image intermédiaire doit être déplacée en déplaçant le groupe avant. Ceci explique le comportement observé du groupe avant: lorsque vous zoomez l’objectif de 18 mm à ~ 35 mm, le grossissement m 2passe de ~ -0,5 à -1 et le groupe avant se rapproche du capteur. Lorsque vous effectuez un zoom jusqu'à 55 mm,
m 2 passe de -1 à ~ -1,6 et le groupe avant s'éloigne du capteur.
Exemple 1
Ceci est juste un modèle théorique (sur) simplifié pour un zoom où chaque groupe est juste une lentille mince. Les distances focales des groupes sont de -35 mm (groupe avant) et de +35 mm (groupe arrière). En supposant un objet à l'infini, j'ai calculé les configurations du zoom pour trois focales. Le tableau ci-dessous indique les positions des éléments de l’objectif (en mm du capteur) en fonction de la distance focale sur laquelle le zoom est réglé:
┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│ 18 mm │ 121.1 │ 53 │
│ 35 mm │ 105 │ 70 │
│ 55 mm │ 112.3 │ 90 │
└───────────┴─────────┴─────────┘
Et voici un dessin, à l'échelle:
Le capteur est à droite. L'image intermédiaire (non dessinée) est à 35 mm à gauche de l'élément avant. La chose intéressante est que les mouvements des groupes (avant et arrière) correspondent à ce que j'ai vu sur la plupart des petits zooms de milieu de gamme. Un zoom réel peut avoir plus de groupes (IS a été mentionné), mais seulement deux sont vraiment nécessaires pour l'action de zoom.
Exemple 2
Pour un exemple plus réaliste, consultez ce
brevet pour certains zooms Nikon 1 . Ce n'est pas le meilleur exemple car ces objectifs sont destinés à une caméra sans miroir. Cependant, l’un des modes de réalisation est un zoom médian de 10-30 mm (27-81 équiv.), Assez proche de la plage 18-55 pour 1,6 ×.
J'aime cet exemple cependant à cause des chiffres. Veuillez regarder la figure de la page 1, et plus particulièrement les flèches en bas, sous les étiquettes «G1» et «G2». Ces flèches indiquent la façon dont les groupes se déplacent lorsque l'objectif est zoomé de grand angle (W) à téléobjectif (T). Vous pouvez voir que le groupe avant recule et avance, tandis que le deuxième groupe avance de manière monotone. C'est ce que j'ai vu sur de nombreux zooms larges et moyens, mais pas sur tous (pas sur le Nikkor 18-70 par exemple). Vous remarquerez peut-être que le deuxième groupe comprend quelques sous-groupes, dont un groupe pour la mise au point (Gf) et un groupe pour la stabilisation d'image (Gs). Ces sous-groupes ne sont toutefois pas pertinents lorsque l’on considère uniquement l’action de zoom.
Quoi qu'il en soit, la chose intéressante ici est que, bien que certains des exemples fournis comportent trois groupes de lentilles, la plupart (y compris le «mode de réalisation préféré») n'en ont que deux. Citation du brevet (paragraphe 077 à la page 67):
Un système optique selon le présent mode de réalisation comprend, dans l'ordre, du côté d'un objet, un premier groupe de lentilles ayant un pouvoir de réfraction négatif et un second groupe de lentilles ayant un pouvoir de réfraction positif.
C'est exactement la description d'un objectif rétrofocus.
Exemple 3
Voici
un autre brevet de Nikon
qui pourrait être plus pertinent puisqu'il décrit principalement le type de zoom 18-55 APS-C.
Les exemples 1 et 2 de ce brevet concernent une telle conception rétrofocale simple, avec un groupe frontal de focale -31,51 mm et un groupe arrière de focale +37,95 mm. Les tableaux de données montrent que lorsque vous faites un zoom d’objectif de 18 à 55 mm, le groupe avant recule (vers le capteur) puis en avant (à l’écart du capteur), tandis que le groupe arrière avance monotonement.
Ce brevet montre également que la conception simple en deux groupes que je décris ici n'est pas la seule option possible. Prenons l'exemple 5 de ce brevet. Cet objectif comporte quatre groupes qui se déplacent de différentes manières lorsque l’objectif est zoomé. Lorsque vous effectuez un zoom de 18 à 55 mm, le groupe avant recule, puis avance et le groupe arrière avance monotone. Ainsi, vu de l'extérieur, cela ressemble à la conception simple en deux groupes de l'exemple 1, bien que sur le plan interne, il soit bien plus complexe.
D'autre part, cette conception particulière n'est en réalité pas si éloignée
de la simple conception rétrofocus. Si nous disons que les groupes 2, 3 et 4 constituent une sorte de «super-groupe», alors la lentille peut être décrite comme un groupe (G1) de pouvoir réfractif négatif suivi du super-groupe (G234) de pouvoir réfractif positif. Encore une sorte de retrofocus. Cette description n’est pas totalement déraisonnable car les groupes 2, 3 et 4 se déplacent plus ou moins de la même façon: ils avancent tous de façon monotone lorsque l’objectif passe de l’objectif grand angle à l’objectif télé, et leur déplacement moyen est supérieur à leurs mouvements relatifs. À partir du tableau des données d'objectif, j'ai calculé la distance focale de ce super-groupe et constaté qu'elle ne changeait pas beaucoup: seulement de 38,6 mm à l'extrémité large du zoom à 34,8 mm à l'extrémité télé.
Bien que je n’aie enquêté que sur quelques brevets, ma conclusion est qu’une sorte de conception rétrofocale (mais pas nécessairement avec seulement deux groupes) est probablement sur un zoom si les trois conditions suivantes sont remplies:
- l'objectif est plus long que sa longueur focale à tous les réglages
- lorsque vous effectuez un zoom de grand angle sur télé, l’élément frontal recule d’abord (plus près du capteur), puis avance
- lorsque vous effectuez un zoom de grand angle sur télé, l'élément arrière avance toujours vers l'avant.
Il est probable que la première condition soit toujours remplie par les zooms reflex dont la focale maximale n’est pas supérieure à 55 mm.
PS: Cette réponse a été fortement modifiée afin de mieux fusionner plusieurs modifications. Au cours du processus, j'ai intégré un point important soulevé par Stan Rogers, à savoir que la conception simple n'est pas la seule conception possible.