No existe una relación simple entre la longitud física de la lente y su longitud focal. Por ejemplo, un gran angular de retrofocus es generalmente más largo que su distancia focal, mientras que un teleobjetivo es más corto que su distancia focal. Dentro de un zoom, tiene varios grupos de lentes que se mueven independientemente. La distancia focal del zoom depende de las
posiciones relativas de los grupos, y no siempre se relaciona simplemente con la longitud física de la lente. Dicho esto, la explicación más simple posible para este comportamiento es que su zoom puede ser de un diseño simple de retrofocus.
Zoom de reenfoque
Un
zoom de reenfoque está hecho de solo dos grupos. El grupo frontal, de potencia refractiva negativa y distancia focal (negativa) f 1 , forma una imagen virtual intermedia del objeto en algún lugar frente a la lente. Este grupo funciona de manera muy similar a las gafas que usan las personas miopes: acerca el objeto "más cerca del ojo". La distancia focal de este grupo es cercana a -35 mm.
El grupo trasero, de potencia refractiva positiva, hace del sensor una imagen real invertida de esta imagen virtual intermedia. La imagen intermedia es el "objeto" para este grupo. La imagen final es como una copia invertida de la imagen virtual, escalada por un factor de aumento
m 2 cercano a -1, que es negativo porque la imagen final está invertida.
Suponiendo que el objeto está en el infinito, toda la lente tiene una distancia focal
f = f 1 × m 2 . Este es un producto de dos números negativos, y el resultado es positivo.
En el dibujo simplificado anterior, el primer grupo es la lente L1, el segundo grupo es la lente L2, el zoom está enfocado al infinito, la imagen intermedia está a la izquierda, a una distancia x de L2, y el sensor está en P La ampliación de L2 es m 2 = - x '/ x .
Con este diseño, es fácil hacer zoom en la lente moviendo el segundo grupo. Cuando este grupo está más cerca del sensor, proporciona un pequeño aumento (por ejemplo, alrededor de -0.5) y, por lo tanto, una distancia focal más corta para toda la lente. Cuando se mueve hacia adelante, más cerca de la imagen intermedia, tiene una mayor ampliación (por ejemplo, alrededor de -1.6) y, por lo tanto, una mayor distancia focal para toda la lente.
Sin embargo, a medida que cambia la ampliación de este grupo, cambia la distancia entre el objeto (en este caso, la imagen intermedia) y la imagen final. Esta distancia es mínima cuando el grupo está justo entre su objeto y su imagen, lo que ocurre cuando el aumento es -1. Puede verificar esto fácilmente usando una lupa para enfocar la imagen de una bombilla en un pedazo de papel: la distancia entre la bombilla y la imagen enfocada es mínima cuando la imagen tiene el mismo tamaño que el objeto. En el caso del objetivo zoom, dado que la imagen final tiene que caer en una posición fija (en el sensor), la imagen intermedia debe moverse moviendo el grupo frontal. Esto explica el comportamiento observado del grupo frontal: al acercar la lente de 18 mm a ~ 35 mm, la ampliación m 2va de ~ -0.5 a -1 y el grupo frontal se acerca al sensor. A medida que se acerca desde allí a 55 mm,
m 2 va de -1 a ~ -1.6 y el grupo frontal se aleja del sensor.
Ejemplo 1
Este es solo un modelo teórico (sobre) simplificado para un zoom donde cada grupo es solo una lente delgada. Las distancias focales de los grupos son -35 mm (grupo frontal) y +35 mm (grupo posterior). Suponiendo un objeto en el infinito, calculé las configuraciones del zoom para tres distancias focales. La siguiente tabla muestra las posiciones de los elementos de la lente (en mm desde el sensor) en función de la distancia focal en la que se ajusta el zoom:
┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│ 18 mm │ 121.1 │ 53 │
│ 35 mm │ 105 │ 70 │
│ 55 mm │ 112.3 │ 90 │
└───────────┴─────────┴─────────┘
Y aquí hay un dibujo, a escala:
El sensor está a la derecha. La imagen intermedia (no dibujada) está a 35 mm a la izquierda del elemento frontal. Lo interesante es que los movimientos de los grupos (tanto delanteros como traseros) coinciden con lo que he visto en la mayoría de los pequeños zooms de rango medio. Un zoom real puede tener más grupos (se ha mencionado IS), pero solo dos son realmente necesarios para la acción de zoom.
Ejemplo 2
Para un ejemplo más realista, vea esta
patente para algunos zooms Nikon 1 . No es el mejor ejemplo porque estas lentes están destinadas a una cámara sin espejo. Sin embargo, una de las realizaciones es un zoom de rango medio de 10-30 mm (27-81 equiv.), Bastante cercano al rango de 18-55 para 1.6 ×.
Sin embargo, me gusta este ejemplo debido a las cifras. Observe la figura de la página 1 y, más específicamente, las flechas en la parte inferior, debajo de las etiquetas "G1" y "G2". Estas flechas muestran la forma en que se mueven los grupos cuando el objetivo se amplía de gran angular (W) a teleobjetivo (T). Puede ver que el grupo frontal se mueve hacia atrás y luego hacia adelante, mientras que el segundo grupo se mueve monótonamente hacia adelante. Eso es lo que he visto en muchos zooms de rango medio y ancho, aunque no en todos ellos (no en la Nikkor 18-70, por ejemplo). Puede notar que el segundo grupo tiene algunos subgrupos entre ellos, incluido un grupo para enfocar (Gf) y un grupo para estabilizar la imagen (Gs). Sin embargo, estos subgrupos son irrelevantes cuando se considera solo la acción de zoom.
De todos modos, lo interesante aquí es que, aunque algunos de los ejemplos proporcionados tienen tres grupos de lentes, la mayoría (incluida la "realización preferida") solo tiene dos. Citando la patente (párrafo 077 en la página 67):
Un sistema óptico de acuerdo con la presente realización incluye, en orden desde un lado del objeto, un primer grupo de lentes que tiene un poder de refracción negativo, y un segundo grupo de lentes que tiene un poder de refracción positivo.
Esta es exactamente la descripción de una lente de retrofocus.
Ejemplo 3
Aquí hay
otra patente de Nikon
que puede ser más relevante ya que describe principalmente el tipo de zooms APS-C 18-55.
Los ejemplos 1 y 2 de esta patente son para un diseño de retrofocus tan simple, con un grupo frontal de longitud focal -31.51 mm y un grupo trasero de distancia focal +37.95 mm. A partir de las tablas de datos, vemos que, al hacer zoom en la lente de 18 a 55 mm, el grupo frontal se mueve primero hacia atrás (hacia el sensor) y luego hacia adelante (lejos del sensor) mientras que el grupo trasero se mueve monótonamente hacia adelante.
Esta patente muestra también que el diseño simple de dos grupos que describo aquí no es la única opción posible. Considere el ejemplo 5 de esta patente. Esta lente tiene cuatro grupos que se mueven de diferentes maneras a medida que se amplía la lente. Al hacer zoom de 18 a 55 mm, el grupo delantero se mueve hacia atrás, luego hacia adelante, y el grupo trasero se mueve monótonamente hacia adelante. Por lo tanto, como se ve desde el exterior, se parece al diseño simple de dos grupos del ejemplo 1, aunque internamente es bastante más complejo.
Por otro lado, este diseño en particular no está tan lejos
del simple diseño de reenfoque. Si decimos que los grupos 2, 3 y 4 constituyen una especie de "supergrupo", entonces la lente puede describirse como un grupo (G1) de potencia refractiva negativa seguido del supergrupo (G234) de potencia refractiva positiva. Sigue siendo una especie de retrofocus. Esta descripción no es completamente irrazonable ya que los grupos 2, 3 y 4 se mueven más o menos de la misma manera: todos se mueven de manera monótona hacia adelante a medida que la lente se acerca de ancho a teleobjetivo, y su movimiento promedio es mayor que los movimientos relativos entre ellos. A partir de la tabla de datos de la lente, calculé la longitud focal de este supergrupo y descubrí que no cambia mucho: solo de 38.6 mm en el extremo ancho del zoom a 34.8 mm en el extremo tele.
Aunque solo he investigado algunas patentes, mi conclusión es que algún tipo de diseño de reenfoque (pero no necesariamente con solo dos grupos) probablemente esté en un zoom si se cumplen las siguientes tres condiciones:
- la lente es más larga que su distancia focal en todos los ajustes
- cuando se amplía de ancho a teleobjetivo, el elemento frontal se mueve primero hacia atrás (más cerca del sensor) y luego hacia adelante
- Cuando se amplía de ancho a teleobjetivo, el elemento trasero se mueve siempre hacia adelante.
Es probable que la primera condición siempre se cumpla con los zoom SLR que tengan una longitud focal máxima de no más de 55 mm.
PD: Esta respuesta ha sido editada en gran medida para combinar mejor varias ediciones. En el proceso incorporé un punto importante planteado por Stan Rogers, a saber, que el diseño simple no es el único diseño posible.