¿La recolección de luz general de una lente solo depende de la apertura?

Mi impresión es que el valor de apertura de una lente determina su capacidad de recolección de luz, pero no estoy seguro de entender cómo funciona ...

Al considerar la recolección de luz en telescopios, depende del diámetro de la lente objetivo (o espejo). Esto tiene mucho sentido para mí, ya que la luz se irradia en todas las direcciones, por lo que un área más grande significa que reúnes más luz. Me parece que también debería ser igual en las lentes de cámara: una lente más grande captaría más del cono de luz del sujeto y lo enfocaría en el sensor.

Lo que me hizo pensar fue que vi una lente F / 0.95, pero no se ve mucho más grande que las lentes F / 2.8, por lo que no entiendo la física de cómo funcionaría.

Esencialmente sí, la capacidad de recolección de luz de una lente está determinada por su apertura máxima. Las velocidades de transmisión de los materiales utilizados también tienen un efecto, pero es muy pequeño.

Su intuición es correcta en el sentido de que esperaría que una lente de gran apertura tenga un barril grande, sin embargo, la apertura se especifica como una relación del tamaño * aparente ** de la apertura de la lente dividido por la distancia focal. Por lo tanto, una lente f / 2.0 de 200 mm debe tener un elemento frontal lo suficientemente grande como para ver una apertura de 200 / 2.0 = 100 mm, por lo que el cañón debe tener al menos 10 cm. Sin embargo, una f / 2.0 de 20 mm solo parece tener una apertura de 10 mm, que es pequeña en comparación con la mayoría de los tamaños de lentes.

Para complicar las cosas, las lentes de gran angular necesitan elementos frontales más grandes que los dictados por su apertura para evitar viñetas en el marco. Para distancias focales más cortas que aproximadamente 50 mm, los tamaños de lente aumentan a medida que disminuye la longitud focal a pesar de las aberturas, y por lo tanto la capacidad de captación de luz, también disminuye.

Aquí hay un buen ejemplo, este objetivo Nikon es solo f / 2.8:

pero es absolutamente enorme, debido a su naturaleza de gran angular extremo.

* tenga en cuenta que 100 mm f / 2.0 no significa que la abertura física en el centro de la lente tenga en realidad un diámetro de 50 mm, solo que la imagen de dicha abertura cuando se ve a través de la parte frontal de la lente parece tener un diámetro de 50 mm. La apertura real es a menudo más pequeña, pero el elemento frontal de la lente debe ser lo suficientemente grande como para acomodar su tamaño teórico.

Tiene casi razón en que el diámetro físico de la lente tiene un efecto directo sobre las propiedades de recolección de luz de la lente.

Sin embargo, también debe tener en cuenta la distancia focal de la lente.

Las matemáticas son bastante sencillas:

Apertura máxima (F-Stop) = Longitud focal / Diámetro de la lente

Como ejemplo, vamos a elegir f / 4 ya que es un buen número redondo fácil ...

• Para lograr f / 4, por ejemplo, a 400 mm, el diámetro de la lente será de 100 mm.
• Para lograr f / 4 a 100 mm, el diámetro de la lente debería ser de 25 mm.
• Para lograr f / 4 a 50 mm, el diámetro de la lente será de 12.5 mm.

Entonces, digamos, una lente de 50 mm, para lograr f / 0.95 como usted indicó en su pregunta, y como esto es menor que f / 1, el diámetro de la lente en realidad necesitará ser ligeramente mayor que la distancia focal de la lente en 52.63mm.

Tenga en cuenta que puede ser más fácil cambiar la ecuación a:

Diámetro de la lente = Longitud focal / Apertura máxima (F-Stop)

En cuanto a su pregunta original acerca de que una lente f / 0.95 no es mucho más grande que una lente f / 2.8, deberá asegurarse de que ambas lentes tengan la misma distancia focal. Entonces verías que el 0.95 era de hecho más grande que el 2.8, y usando la ecuación anterior, puedes calcular exactamente cuáles deberían ser los diámetros de las lentes físicas en cada uno ;-)

¿¿¿Espero que tenga sentido???

Otros ya han explicado la diferencia entre la pupila de entrada y la lente frontal. Me gustaría agregar una palabra de por qué el poder de recolección de luz viene dado por los números F.

La diferencia entre un telescopio y una lente fotográfica es que normalmente utiliza un telescopio de imagen pequeños objetos (pequeños en tamaño angular). Entonces su sujeto casi siempre se ajustará al campo de visión, independientemente de la distancia focal del alcance. En contraste, la mayoría de las veces usa una cámara para capturar una escena completa que llena completamente el cuadro. Luego, las distancias focales más cortas le permiten capturar más de la escena ... ¡y por lo tanto más luz!

Esto hace una gran diferencia en la forma en que se aprecia el "poder de recolección de luz". Para un astrónomo, el poder de recolección de luz es la capacidad de un telescopio para recolectar flujo luminoso de una pequeña fuente que proporciona una iluminación dada en la tierra. Por lo tanto, es equivalente al área de superficie de la pupila de entrada. Para un fotógrafo, el poder de captación de luz es la capacidad de una lente (o cámara) de captar flujo luminoso de una escena extendida de luminancia promedio dada . Entonces depende tanto de la pupila de entrada como del campo de visión. Es por eso que usamos números f en lugar de diámetros de apertura sin procesar.

Vea también esta respuesta a una pregunta relacionada .

Piensa en parar tu telescopio. Muchos ámbitos vienen con tapas de lentes que tienen un orificio circular cortado en el centro con una tapa secundaria.

Si utiliza su telescopio con la tapa del objetivo encendida pero con la tapa secundaria apagada, ahora ha detenido la mira. Su alcance f8 ahora podría ser, digamos, un alcance f20 sin ningún cambio en el diámetro del objetivo . Esto realmente me asustó desde que comencé con los telescopios ante las cámaras y tuve exactamente la misma confusión que tú.

¿Tienes una vieja cámara de cine de 35 mm? Abra la parte posterior y mire a través de la lente, esencialmente, su ojo ahora es la película. Presione el obturador. Verá un breve destello de luz a través de la abertura en su mayoría circular. (Aún mejor, ajuste la velocidad del obturador lentamente para que el flash breve sea menos breve). Ahora juegue con la configuración de apertura, compare, digamos f2.8 con f16. ¿Observa cómo cambia el tamaño del orificio circular?

Si no tiene una cámara de película vieja, intente esto con su DSLR, pero mirando al frente, busque algo que cambie dentro del lente, directamente al centro, mientras juega con la apertura.

Las cámaras se detienen mucho. Debe hacer esto tanto para cambiar la duración de la exposición como para controlar la profundidad de campo.

Los telescopios rara vez se detienen. Probablemente solo quieras hacerlo para observación solar o lunar. ¿Por qué? No necesita la luz adicional, pero a menos que tenga un refractor APO, detenerlo disminuirá considerablemente la aberración cromática. Tuve la oportunidad de ver el telescopio Galileo en Filadelfia. Tal vez tenía de 1 a 1.5 pulgadas de diámetro, ¡pero se detuvo en algo pequeño, como 0.5 "más o menos! Esto se hizo para reducir las aberraciones en sus lentes primitivos.