¿Cómo funcionan las lentes con zoom de apertura constante?

Las lentes de zoom más baratas generalmente son más rápidas en el extremo ancho y más lentas en el extremo largo (por ejemplo, la Canon EF-S $ 18-55 mm f / 3.5-5.6 de $ 150). Los objetivos con zoom de apertura constante más caros tienen la misma apertura independientemente (por ejemplo, Canon EF 17-40 mm f / 4.0 L de $ 800).

Mi pregunta es: ¿estos lentes buenos se embolsan en los ajustes más amplios, o tienen un sistema óptico diferente que les permite mantener la misma apertura en todo el rango de zoom?

Desafortunadamente, las otras respuestas no hacen más que insinuar la motivación que podría estar involucrada en la elección de diseñar una u otra. Ninguno de ellos sugiere realmente cómo difieren realmente los zooms de apertura fija y variable.

No es realmente una diferencia bastante fundamental en el diseño. El diafragma (la parte que forma la abertura) en casi cualquier lente está en algún lugar alrededor del medio de la lente. En un zoom de apertura fija, solo los elementos detrás del diafragma se mueven para hacer el zoom. En un zoom de apertura variable, los elementos tanto detrás como delante de la abertura se mueven para hacer el zoom.

Al menos en el caso habitual, el diámetro de la abertura no cambia al hacer zoom. Esto es bastante fácil de verificar: tome fotografías con diferentes relaciones de zoom y apertura máxima con algunos reflejos desenfocados. Al menos con su lente zoom típica, los reflejos desenfocados permanecerán redondos en todas las distancias focales, lo que indica que la apertura permanece abierta (donde es redonda). Detén la lente unas pocas paradas y comenzarás a ver la forma del cierre de las cuchillas de apertura (aunque las lentes con muchas cuchillas, especialmente las redondeadas, conservarán los reflejos casi redondos un poco más que otras).

Cuando / si los elementos delante de la abertura se mueven durante el zoom, está cambiando la longitud focal (efectiva) de esa parte de la lente. Luego está transmitiendo luz a través de una apertura de diámetro fijo, lo que significa que los cambios f / stop (efectivos). Dado que solo se ve afectado por el cambio en la longitud focal efectiva de los elementos frente al diafragma, el cambio (por lo general) no se correlaciona exactamente con el cambio en la longitud focal efectiva general: mover los elementos detrás del diafragma cambia el foco focal efectivo longitud sin cambiar la apertura efectiva (por ejemplo, mi 28-135 tiene un rango de zoom de 5: 1, pero la apertura solo cambia de f / 4.0 a f / 4.5).

Tienen ópticas diferentes y, por lo general, son lentes sustancialmente más grandes para el mismo rango focal (compare 70-200 mm f / 2.8 con 70-300 mm f / 4.5-5.6 y vea que este último es pequeño en comparación). Para obtener la apertura constante en el extremo largo, debe tener un barril más grande porque la apertura es una relación frente a la distancia focal. Sin embargo, si haces los cálculos para tus ejemplos:

18 mm f / 3.5 significa una abertura de 5.14 mm 55 mm f / 5.6 significa una abertura de 9.82 mm

17 mm f / 4.0 significa una abertura de 4.25 mm 40 mm f / 4.0 significa una abertura de 10 mm

Está claro que el diámetro físico de la abertura puede ser mayor en ambos casos. Entonces, en cualquier caso, teorizarías que en el extremo más amplio deberías poder ser f / 2.0 o algo así y que tu escenario de sacos de arena se aplicaría a ambos. Por otro lado, para este último, la óptica puede simplificarse y, por lo tanto, acercarse a una calidad superior. Entonces ... compensaciones.

En cualquier caso, los zoom tienen una construcción bastante compleja, mucho más de lo que lo haría una lente principal, por lo que hay muchas consideraciones sobre la corrección óptica a varias distancias focales, el efecto de la apertura en esa corrección, etc. Puede ser, dado el diseño de la lente y los costos asociados, que intentar ensancharse en el extremo corto resulte en una suavidad enormemente inaceptable en la imagen u otras formas de abberación.

Finalmente, con seguridad hay diferentes construcciones ópticas entre los dos. Demonios, hay diferentes construcciones ópticas entre lentes de la misma configuración pero de diferentes fabricantes. Todo se reduce a costo versus beneficio y, al final, qué precio tendrá que pagar el mercado por una lente de una construcción determinada.

En pocas palabras, la relación f / 4.0 significa que el tamaño efectivo de la apertura es la distancia focal dividida entre 4: para un f / 4.0 de 600 mm, esto no significa que haya literalmente un agujero de 150 mm donde están las cuchillas de la abertura, solo que la lente se comporta como si lo hubiera. (Si observa el diseño de la Canon 600 f / 4.0, está claro que no hay espacio para una abertura de 150 mm en el centro de la lente).

Este es el principio detrás de las lentes de apertura constante, el tamaño de la apertura virtual cambia en todo el rango del zoom, a pesar de la cara, la apertura física sigue siendo del mismo tamaño.

Todos los zooms cambian el tamaño de la apertura virtual o efectiva mientras se hace zoom, la "apertura constante" (relación f realmente constante) simplemente cambia la apertura lo suficiente como para mantener la relación de apertura a distancia focal igual. El diseño de lentes de "apertura constante" no es radicalmente diferente, solo el grado en que cambia la apertura aparente.

Para robar los números de la respuesta de John (para evitar resolverlos nuevamente), el tamaño de las aberturas virtuales para las dos lentes mencionadas son:

Canon EF-S 18-55 mm f / 3.5-5.6 5.14 mm @ 18 mm - 9.82 mm @ 55 mm

Canon EF 17-40 mm f / 4.0 4.25 mm @ 17 mm - 10 mm @ 40 mm

Si la óptica en el 18-55 hizo que la apertura virtual fuera de 15 mm en el extremo largo, sería una lente de apertura constante (@ f / 3.5), sin embargo, esto sería muy costoso debido al rango de zoom [relativamente] grande, razón por la cual una lente barata sigue siendo f / 5.6

No hay bolsas de arena en la lente de apertura constante, en el extremo ancho la lente se esfuerza al máximo, ¡es solo que ha sido diseñada para comportarse más rápido en el extremo largo!

Mi pregunta es: ¿estos lentes buenos se embolsan en los ajustes más amplios, o tienen un sistema óptico diferente que les permite mantener la misma apertura en todo el rango de zoom?

Recuerde que cuando usa un número f para representar la apertura, se expresa como una fracción de la distancia focal, por lo que al hacer zoom, el mismo diámetro efectivo de apertura se representa como un número diferente. f / 2.8 a 20 mm es la mitad del diámetro efectivo de apertura de f / 2.8 a 40 mm. Por lo tanto, su zoom de apertura constante no es "mantener la misma apertura en todo el rango de zoom" como tal. De hecho, un zoom de 18-55 que mantiene el mismo diámetro efectivo de apertura en todo el rango del zoom sería algo así como f / 3.5-10.7.

Por lo tanto, ninguno de los tipos de lentes de zoom realmente mantiene el mismo diámetro efectivo de apertura. Tenga en cuenta que el diámetro efectivo no es necesariamente el diámetro real del anillo de apertura, ya que parte del efecto de zoom es que el anillo de apertura en sí está magnificado. Pero el diámetro efectivo es lo que es relevante .

Los diseñadores de lentes luchan para resolver una serie de problemas que incluyen aberración cromática, distorsión, nitidez y viñeteado. Con un objetivo zoom, esto es aún más difícil porque tienen que resolver estos problemas no solo a una distancia focal única sino a lo largo de todo el rango del zoom. Sin embargo, todo diseño de lentes se compromete simplemente porque hay muchas fuerzas opuestas. Para un objetivo con zoom, los diseñadores de lentes deciden con qué apertura pueden salirse con la suya en cada distancia focal en el rango del zoom, sin demasiados efectos de suavizado u otros, como el viñeteado.

Es deseable que una lente de zoom tenga un diámetro efectivo de apertura mucho más amplio en el extremo del teleobjetivo que en el extremo ancho, porque a medida que la imagen se amplía, necesita más luz para que caiga la misma cantidad en el sensor / película. Es decir, necesita que sea mucho más ancho solo para alcanzar el mismo número f.

Los zooms más baratos a menudo solo comprometen más la velocidad en el extremo de la tele que los más caros.

Los zoom de apertura constante como el Canon EF 17-40 mm f / 4.0 L que mencionó hacen un compromiso diferente; ponen mucho más esfuerzo en lograr una apertura efectiva más amplia en el extremo del teleobjetivo. Como resultado, sin embargo, usan más vidrio y crean una lente más pesada. Dado que todo es un compromiso también, no quieren que su esfuerzo para obtener una apertura más amplia en el extremo del teleobjetivo aumente la suavidad o el viñeteado en el extremo ancho, de modo que limite la apertura máxima del extremo ancho. Por lo tanto, obtiene un equilibrio diferente de tamaños de apertura en comparación con el zoom de apertura "variable" más barato y más ligero (en realidad, en realidad menos variación en términos del diámetro de apertura real) y todo lo que realmente depende es en qué tipo de compensaciones se han realizado El diseño de la lente.

Se trata de tener la combinación correcta de elementos cóncavos y convexos para reducir la pérdida de luz en todo el rango del zoom. Si bien el f / 4.0 puede parecer que está siendo engañado en la apertura más rápida, es más el resultado de obtener una imagen tan nítida sin aberración cromática mientras mantiene una sincronización e iluminación constantes a lo largo de su zoom y rango focal.

Canon tiene una muy buena literatura que explica todo esto, junto con cómo se utiliza la difracción óptica en algunas de sus lentes más nuevas para contrarrestar todas las desventajas anteriores de la óptica regular. Lo publicaré tan pronto como lo encuentre de nuevo.

Estoy de acuerdo con la evaluación del usuario 86418 de que la respuesta de Jerry Coffin tiene esto al revés, aunque a su vez parece haber combinado la apertura numérica con f / número.

Citando outdoorphotographer.com

En un zoom de apertura variable ... los elementos delante y detrás del diafragma se mueven (y el diafragma mismo se mueve), por lo que la pupila de entrada no varía en proporción a la ampliación, y el número ƒ cambia a medida que hace zoom lente. (Nota: algunos zooms también pueden cambiar el diámetro de apertura física durante el zoom).

Hay una serie de "fórmulas" de lentes de zoom, pero básicamente un telezoom cambia la ampliación (distancia focal) al mover elementos frente al diafragma de apertura.

El sitio de Pierre Toscani proporciona diagramas ópticos detallados de un zoom de apertura constante:

Curiosamente, la respuesta (actualmente) aceptada se equivoca completamente. O eso, o su terminología de "antes de la apertura" y "detrás de la apertura" se ve desde el lado del sensor (que no tendría mucho sentido) en lugar de la lente frontal.

La pupila de entrada, la imagen de la abertura de apertura como se ve a través de la lente frontal, tiene un diámetro proporcional a la longitud focal al hacer zoom con una apertura numérica constante (que es con lo que trabajan los fotógrafos y que generalmente corresponde al tamaño de apertura de la apertura física cuchillas). Obviamente, este cambio del tamaño aparente requiere un cambio en los elementos de la lente entre la abertura y la lente frontal. Este cambio será suficiente para afectar el cambio deseado en la distancia focal a valores numéricos constantesapertura en diseños simples; sin embargo, un objetivo zoom moderno contiene muchos más elementos que los responsables de determinar la distancia focal: también intervienen muchos elementos correctivos. Si alguno de los grupos de respaldo se mueve además de los grupos de frente, es cuestión de la receta óptica exacta.