A medida que uno lee acerca de los lentes con zoom, un comentario relativamente común que aparece en las revisiones de algunos lentes (especialmente los de menor precio) es que el lente no es tan nítido ("suave") en uno o ambos extremos del rango del zoom de distancia focal .
¿Por qué una lente tendría diferentes niveles de nitidez a diferentes distancias focales, y por qué los extremos serían los peores?
Respuestas:
Advertencia: esta es otra de mis respuestas de "longitud de libro" ... :-)
Comencemos por una revisión rápida de cómo funciona un lente zoom. Considere el diseño de lente más simple posible: un solo elemento. Un gran problema con una lente de elemento único es que la distancia focal de la lente determina la distancia que el elemento debe estar desde el plano / sensor de la película para enfocar una escena, por lo que una lente de 300 mm (por ejemplo) tendría que ser A 300 mm del sensor para centrarse en el infinito. Por el contrario, la lente gran angular debería estar muy cerca del plano / sensor de la película para enfocarse en el infinito.
Sin embargo, los diseñadores de lentes pronto descubrieron un truco bastante bueno: podían crear una distancia focal efectiva larga colocando un elemento de distancia focal corta en la parte delantera y un elemento negativo (ligeramente más débil) detrás de él. Con el elemento negativo, la luz golpea el plano de la película exactamente en el mismo ángulo (s) como si hubiera sido refractada por una lente larga. Exagerando un poco (o mucho), obtenemos una sustitución como la siguiente:
Ambas lentes tienen la misma distancia focal efectiva, pero (obviamente) la segunda es físicamente un poco más corta: no tiene que sobresalir del frente de la cámara tan lejos.
Sin embargo, la línea superior duplicada en el segundo diseño nos lleva a nuestro segundo punto: la aberración cromática. La línea "interior" representa la luz azul que pasa a través de las lentes, y la línea "exterior" la luz roja. Debido a su longitud de onda más corta, la luz azul siempre se refracta (dobla) más a través de una lente que la luz roja. Sin embargo, dependiendo del vidrio, la diferencia entre la refracción de la luz roja y azul puede ser bastante grande o relativamente pequeña.
Si elegimos el vidrio correcto para el elemento frontal frente al elemento trasero, podemos lograr aproximadamente lo que se muestra en la imagen: la cantidad de flexión adicional en el elemento frontal se compensa exactamente por la cantidad de flexión adicional en el segundo elemento, por lo que la luz roja y azul se enfocan exactamente juntas.
Sin embargo, con un objetivo zoom, las cosas no funcionan tan fácilmente. Para obtener una lente de zoom, tomamos el segundo diseño, pero movemos el elemento posterior en relación con el elemento frontal. En este caso, si movemos el elemento frontal hacia adelante, la luz azul habrá divergido menos que la roja cuando ingresen al segundo elemento, y como no hay más espacio detrás del segundo elemento, se doblará más, como Como resultado, en lugar de enfocarse exactamente juntos, la luz azul terminará "fuera" de la luz roja, que se mostrará en la imagen como una aberración cromática.
Por el contrario, si el elemento trasero se mueve más cerca del sensor, la luz azul se habrá alejado más de la luz roja cuando llegue al segundo elemento. Luego, dado que el segundo elemento está más cerca del sensor, no convergerá con el rojo, por lo que terminará aún "dentro" del rojo cuando llegue al sensor - nuevamente, aberración cromática (pero en la dirección opuesta) )
Si lo dejáramos así, las lentes con zoom serían bastante horribles: cada cambio en la distancia focal daría enormes cantidades de CA. Para combatir eso, los elementos se agrupan. En lugar de solo el elemento frontal y el segundo elemento, con uno que compensa la CA introducida por el otro, tendría dos grupos de elementos, cada uno de los cuales compensa su propia CA, y mover los grupos uno respecto al otro no cambiar la CA en absoluto.
Sin embargo, todavía no es tan simple. Es físicamente imposible para un grupo de elementos compensar completamente CA. Un elemento siempre dobla la luz azul en un ángulo que es mayor que el ángulo en el que dobla la luz roja. En el mejor de los casos, si coloca los elementos realmente juntos, puede hacer que la luz roja y azul viajen muy juntas y casi paralelas, pero aún ligeramente separadas. Si los dobla hacia atrás, solo convergerán a una distancia exacta; a cualquier otra distancia, vas a terminar con CA en una dirección u otra.
Como ya se señaló, sin embargo, con una lente de zoom, las distancias involucradas deben cambiar. Lo que normalmente hará el diseñador de lentes es tratar de minimizar el peor de los casos de CA. Hacer eso es bastante fácil (al menos en teoría): observa el rango a través del cual se mueve el elemento trasero y calcula el ángulo que producirá la convergencia exactamente en el medio de ese rango. De esta manera, está dividiendo las cosas, por lo que obtendrá CA en una dirección a medida que el elemento trasero se acerca al sensor, y en la otra dirección a medida que se aleja. Por supuesto, no se trata solo del elemento trasero, sino que tiene que mirar la combinación de todos los movimientos de todos los grupos de elementos (y explicar la dispersión introducida por cada uno, por supuesto).
Sin embargo, una vez que se da cuenta del rango, generalmente minimiza el peor de los casos al dividir la diferencia, optimizando aproximadamente la mitad del rango, por lo que empeora un poco en cada dirección. La excepción es una lente que se espera que se use principalmente en un extremo u otro. En este caso, puede tener sentido optimizar para aproximadamente el rango de uso esperado, y vivir con el hecho de que el peor de los casos será peor de lo que realmente debería ser.
Por supuesto, esto también considera solo uno de los varios factores importantes para el diseño de una lente: el diseñador también debe tener en cuenta (al menos) el coma, el astigmatismo, el viñeteado, la distorsión y la aberración esférica, sin mencionar un Algunos detalles menores como el tamaño, el peso, el costo y simplemente poder fabricar una lente real que funcione de la manera en que está diseñada.
Desafortunadamente, también he visto lentes donde las distancias focales centrales son peores, por lo que su suposición no siempre es correcta.
Básicamente, un zoom está hecho de elementos ópticos en movimiento y tienen que moverse uno con respecto al otro para cambiar la distancia focal de la lente. Los ingenieros ópticos son responsables de optimizar el rendimiento en todo el zoom con un conjunto fijo de piezas en un orden fijo. Puedes imaginar que este es un proceso difícil.
Las extremidades son más vulnerables a los problemas porque los elementos ópticos juntos a menudo funcionan mejor en una posición establecida y cuanto más lejos de esa posición, más lejos del rendimiento óptimo.
El diseño del objetivo con zoom, a diferencia del diseño del objetivo principal (longitud focal fija única), tiende a ser bastante complejo. Con una lente principal, es mucho más fácil corregir las aberraciones ópticas como la aberración cromática, la aberración esférica, la distorsión, etc., y así con menos elementos de lente. Cuantos menos elementos de lente (lentes de vidrio individuales se usen en la construcción de una lente de cámara compleja), generalmente será mejor la calidad de imagen, ya que cada pieza de vidrio afectará el enfoque de la luz.
Las lentes con zoom generalmente tienen más elementos de lente que las lentes principales, a veces considerablemente más. Cuando se trata de distancias focales más amplias, algunas lentes con zoom son más largas que su distancia focal y requieren un grupo "retrofocal" en la parte posterior. Todos estos elementos de lentes adicionales se suman a las aberraciones ópticas, algunos corrigen las aberraciones de otros elementos de lentes. En un objetivo con zoom, la corrección óptica debe hacerse de tal manera que produzca la mejor calidad general en todo el rango del zoom, lo que generalmente significa que debe hacerse un compromiso en algún lugar (no puede tener su pastel y comerlo también).
Las lentes de zoom generalmente tienen puntos "más nítidos" y puntos "más suaves". No siempre está en los extremos del rango focal ... a veces está justo en el medio. A veces, el compromiso se produce a costa de la nitidez del "borde" de la imagen frente a la nitidez del "centro", que puede ser peor en una distancia focal que en otra. De cualquier manera, acomodar un rango focal variable requiere compromiso debido a la complejidad necesaria.
Las lentes de mayor calidad a menudo usan ópticas más avanzadas para corregir aberraciones, generalmente a un costo considerable. Una lente de rango medio puede simplemente usar más lentes para corregir las aberraciones e ignorar cómo cambian las aberraciones en todo el rango focal. Una lente profesional de grado superior explicará la variabilidad en las aberraciones, usará ópticas avanzadas como vidrio de alta densidad, vidrio de baja dispersión, elementos de lentes asféricas, elementos de lentes de fluorita, elementos de lentes apocromáticos, grupos correctivos adicionales, etc. para mantener la más alta calidad en todo el foco. rango de una lente de zoom. Aún deben realizarse compromisos en relación con las lentes de primera calidad, sin embargo, el grado de compromiso tiende a ser mucho menor.
Las lentes implican correcciones significativas para las anormalidades. Estas anormalidades se conocen como aberraciones. Hay una variedad de aberraciones, algunas de las más comunes son esféricas, astigmatismo, cromáticas, coma, barril, acerico, curvatura de campo y fuera de foco.
Si estas aberraciones no existieran, el diseño de la lente sería muy fácil. Simplemente coloque una lente o dos en línea recta y siempre tendrá una imagen perfecta. Pero, sabemos que existen estas aberraciones. Es imposible corregir completamente estas aberraciones, por un solo punto. Cuantas más aberraciones haya, más "suave" se verá una imagen.
Se puede minimizar la distorsión durante un largo período de tiempo, principalmente al hacer lentes más caros. Las lentes más caras provienen de la fabricación de lentes con forma no esférica, que son más difíciles de fabricar.
Cuanto más te alejes del punto óptimo de la lente, más suave será. Los cambios en las distancias focales, la apertura y la distancia focal son factores influyentes en el punto óptimo. Por lo tanto, cambiar cualquiera de los 3 degradará la calidad. Si la lente es de una calidad lo suficientemente alta, la degradación apenas se notará.