Comment les zooms restreignent-ils leur ouverture la plus large au téléobjectif?

La bague d'ouverture verrouille-t-elle les ouvertures au-delà, disons 5,6 à l'extrémité téléobjectif de l'objectif? L'objectif introduit-il un obstacle à la bague d'ouverture de sorte que l'objectif ne peut plus être ouvert au-delà de l'ouverture au téléobjectif?

Et pourquoi les lentilles se comportent-elles de cette façon? Pourquoi n'ont-ils pas des ouvertures constantes sur toute leur plage focale?

La pupille d'entrée est limitée par le diamètre de l'élément avant, et c'est ce qui limite généralement l'ouverture maximale des téléobjectifs - et non la taille physique du diaphragme d'ouverture.

La taille physique du diaphragme n'est qu'une partie de ce qui détermine l'ouverture maximale, exprimée en nombre f, d'un objectif. Le grossissement entre l'avant de l'objectif et l'emplacement du diaphragme joue également un rôle. Le nombre f d'une ouverture est déterminé par le rapport de la distance focale de l'objectif divisé par le diamètre de la pupille d'entrée , souvent appelé l'ouverture effective. Dans un langage simple, le diamètre de la pupille d'entrée est défini par la largeur de l'ouverture du diaphragme lorsqu'il est vu à travers l'avant de la lentille .

Lorsque les zooms à ouverture constante sont déplacés pour changer la distance focale, le grossissement entre l'avant de l'objectif et le diaphragme est ce qui change normalement, pas la taille physique du diaphragme. Le changement d'agrandissement est ce qui permet à la pupille d'entrée d'apparaître plus grande à des focales plus longues et plus petite à des focales plus courtes. Un objectif 70-200 mm f / 2,8 a une pupille d'entrée de 25 mm de diamètre à 70 mm et f / 2,8. À 200 mm, la pupille d'entrée à f / 2,8 est un peu plus de 71 mm de large. Le diaphragme physique réel est de la même taille dans les deux cas. Ce qui a changé, c'est le grossissement entre le diaphragme et l'avant de l'objectif.

Notez que ce même principe est généralement utilisé avec les zooms à ouverture variable. Prenez, par exemple, un zoom 18-300 mm f / 3,5-5,6. À 18 mm, la pupille d'entrée pour f / 3,5 a une largeur d'environ 5,14 mm. À 300 mm, la pupille d'entrée pour f / 5,6 est plus de dix fois supérieure à 53,6 mm de large. Notez que la plupart des zooms qui atteignent un maximum de 300 mm et f / 5,6 ont des éléments avant légèrement supérieurs à 54 mm de diamètre. La taille nécessaire de la pupille d'entrée est la raison! Si la pupille d'entrée à 300 mm avait encore une largeur de 5,14 mm comme à 18 mm et f / 3,5, l'ouverture maximale à 300 mm serait de f / 58!

Alors pourquoi tous les zooms n'utilisent-ils pas suffisamment d'agrandissement pour rester à une ouverture constante sur toute la plage de zoom? Principalement le coût associé à la taille, au poids et à la complexité supplémentaires nécessaires pour produire une lentille à ouverture constante.

Une pupille d'entrée ne peut pas être beaucoup plus grande que le diamètre de l'élément avant de l'objectif pour un objectif avec un angle de vue étroit. À 200 mm, une ouverture f / 5,6 nécessite une pupille d'entrée de près de 36 mm de diamètre. La plupart des objectifs interchangeables actuels ont au moins ce grand diamètre, car les brides de montage de la plupart des appareils photo à objectifs interchangeables contemporains ont des diamètres d'environ 42 à 54 millimètres. (Veuillez noter que nous parlons de la largeur du trou dans la bride de montage, pas de la distance de la bride de montage devant le plan du capteur / film qui est appelée distance d'enregistrement.) D'un autre côté, à 200 mm un L'ouverture f / 2,8 nécessite une pupille d'entrée d'environ 71,4 mm de large. Cela nécessite que la lentille soit d'un diamètre significativement plus grand que le trou dans la bride de montage.

Non seulement le barillet de l'objectif et toutes les parties de l'objectif qui entourent le chemin optique doivent être plus grands et nécessitent donc des quantités plus élevées de la matière première à partir de laquelle ils sont fabriqués, mais les éléments optiques réels doivent également être tous les deux de plus grand diamètre et plus épais afin de conserver les mêmes angles de réfraction. Les éléments d'objectif plus grands introduisent également plus d'aberrations qui doivent être corrigées. Souvent, les matériaux les plus chers dans une lentille sont ceux utilisés pour fabriquer ces éléments optiques correcteurs. L'ajout d'éléments pour corriger des choses telles que l'aberration chromatique peut introduire des problèmes supplémentaires, tels que la distorsion géométrique, qui nécessitent encore plus d'éléments supplémentaires à corriger. Ainsi, non seulement la lentille entière et la plupart des éléments optiques à l'intérieur doivent être plus grands, mais cela nécessite également plus de composants optiques fabriqués à partir de matériaux plus chers.

Pour la plupart des gens, à moins qu'ils n'aient vraiment besoin de cette ouverture plus grande, ils emporteront tout de suite un objectif plus léger et plus petit pour lequel ils ont payé beaucoup moins.

La qualité d'un zoom moderne est exceptionnelle compte tenu de tous les problèmes de fabrication rencontrés. Le fabricant n'aimerait rien de mieux que de maintenir l'ouverture maximale constante tout au long du zoom. C'est plus facile à dire qu'à faire.

Le nombre f est un rapport. Mathématiquement, nous divisons la distance focale par le diamètre d'ouverture de travail pour calculer le nombre f. Nous avons besoin que cette valeur soit un rapport car un rapport est sans dimension. En d'autres termes, un objectif f / 4 transmet la même énergie lumineuse au film ou au capteur, quelles que soient les dimensions de l'objectif. Par exemple, un objectif de 100 mm avec une ouverture de 25 mm de diamètre fonctionne à f / 4. Ce lash-up offre la même luminosité d'image qu'un système de télescope astronomique avec une distance focale de 4000 mm avec une ouverture de travail de 1000 mm. Les deux exposent la même vue de la même façon.

Nous avons besoin du système des nombres f car il enlève le chaos. Tout objectif réglé sur le même nombre f que tout autre objectif, offre la même luminosité d'image. En effet, la distance focale et le diamètre d'ouverture sont entrelacés. Lorsque vous zoomez sur des grossissements de plus en plus élevés, l'image s'assombrit. Pensez à déplacer un projecteur de plus en plus loin d'un mur blanc. Lorsque vous reculez le projecteur du mur, l'image projetée sur le mur s'agrandit et, parce que la lumière doit couvrir plus de surface, l'image devient plus sombre. Idem avec un zoom.

D'une manière ou d'une autre, le fabricant de l'objectif doit compenser ou un nombre f constant ne peut pas être maintenu tout au long du zoom. La plupart des zooms ne peuvent pas maintenir un nombre f constant. Cela devient trop cher à faire et les ventes seront perdues parce que vous vous êtes fait sortir du marché.

Comment maintenir un nombre f constant tout au long du zoom? Le diaphragme à iris est placé derrière le groupe de lentilles en mouvement. Le groupe avant agit comme une loupe pour faire paraître le diamètre apparent de l'iris plus grand vu de face. Ce placement permet à de plus en plus de lumière de traverser l'iris lorsque l'objectif zoome vers des grossissements de plus en plus élevés. Un tel placement et une telle action des éléments de lentille avant induisent une distorsion et des aberrations qui doivent être corrigées. Cette correction nécessite des éléments d'objectif complexes qui doivent se déplacer avec précision. Cela ajoute au coût. En fin de compte, un zoom à ouverture constante est très coûteux à réaliser.

Qu'un objectif zoom soit à ouverture constante ou à ouverture variable a d'abord à voir avec la conception, ensuite avec des facteurs mécaniques comme l'ouverture ou la fermeture d'un diaphragme.

Un objectif zoom fonctionne en faisant bouger certains éléments pour changer la distance focale. Cela fonctionne en raison de l'équation de la distance focale d'une lentille épaisse:

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

(2) EFL = 1 / Phi

Où Phi est la puissance optique totale de la lentille épaisse, phi_1 et phi_2 sont la puissance optique de la première et de la deuxième surface, t est l'épaisseur entre elles et n est l'indice de réfraction de la lentille. EFL est synonyme de distance focale efficace et est ce que l'on appelle familièrement la distance focale.

Tout système optique contenant un certain nombre d'éléments peut être modélisé avec précision comme une seule lentille mince. Cette équation fonctionne également pour les lentilles minces, mais le terme t / n disparaît, car t = 0. Un objectif 50 mm f / 1,8 peut être modélisé comme un seul objectif mince de longueur focale 50 mm, tout comme un objectif 18-300 mm réglé sur 50 mm.

Vous pouvez également utiliser cette formule pour modéliser 2 lentilles minces. Tant que les lentilles sont positives, vous pouvez voir qu'en les écartant davantage, le terme t / n augmentera. À mesure qu'elle grandit, la puissance diminue et la distance focale augmente.

C'est l'essence même d'un zoom.

Dès que vous introduisez un diaphragme d'ouverture dans un système optique, vous avez ce que l'on appelle des pupilles d' entrée et de sortie . La pupille d'entrée est l'image de la butée d'ouverture formée par les éléments devant elle, et la pupille de sortie est l'image de la butée d'ouverture formée par les éléments derrière elle.

Les élèves ont une position et une taille comme un élément d'objectif ou l'ouverture réelle s'arrête. Le f / # d'un objectif peut être approximé par

(3) f / # = EFL / EPD

Où f / # est le «rapport focal», EFL est la distance focale effective et EPD est le diamètre de la pupille d'entrée.

Collons un diaphragme d'ouverture au milieu de deux lentilles minces séparées par de l'air. Si nous augmentons l'EFL du système d'objectif en déplaçant l'objectif vers l'avant, l'EPD changera avec lui. Si nous augmentons l'EFL de l'objectif en déplaçant l'objectif vers l'arrière, l'EPD ne changera pas avec lui, car cet objectif n'affecte en rien la pupille d'entrée.

Il se trouve que, sauf si vous effectuez une plage de zoom extrêmement grande, le grossissement de la butée d'ouverture responsable de l'EPD augmente au même rythme que la distance focale. Étant donné que le numérateur et le dénominateur de (3) ont changé de la même valeur relative, le rapport est toujours le même et notre objectif peut donc être passé de 70 mm à 200 mm et maintenu une ouverture de f / 4.

Si nous avions déplacé l'objectif à l'arrière, l'objectif aurait ralenti à environ f / 10 environ en zoomant de 70 mm à 200 mm.

Un zoom moderne a 3 ou 4 groupes de zoom, donc c'est plus compliqué que cette simple explication. Si tous sont devant l'arrêt d'ouverture, cela est toujours vrai. Si la plupart d'entre eux se trouvent devant la butée d'ouverture, le fabricant aura tendance à programmer le diaphragme pour qu'il s'ouvre / se ferme pendant que l'objectif zoome et qu'il triche juste l'écart pour le faire se comporter comme un objectif à ouverture constante.

Vous vous demandez peut-être pourquoi ne pas simplement mettre tous les groupes devant l'arrêt et en finir - il y a deux motivations clés:

1) Si vous forcez tout le zoom à se produire devant la butée d'ouverture, l'objectif est nécessairement plus long que s'il pouvait zoomer des deux côtés.

2) Il est plus facile de concevoir un objectif bien corrigé si vous êtes autorisé à modifier la position des éléments des deux côtés.