Warum sind einige Zoomobjektive an beiden Enden des Brennweitenbereichs "weich"?

Achtung: Dies ist noch eine meiner "Buchlängen" -Antworten ... :-)

Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die Funktionsweise eines Zoomobjektivs. Betrachten Sie das einfachstmögliche Linsendesign – ein einzelnes Element. Ein großes Problem bei einem Einzelelementobjektiv besteht darin, dass die Brennweite des Objektivs den Abstand bestimmt, den das Element von der Filmebene / dem Sensor haben muss, um eine Szene scharf zu stellen, also müsste ein 300-mm-Objektiv (zum Beispiel) sein 300 mm vom Sensor entfernt, um auf unendlich zu fokussieren. Umgekehrt müsste ein Weitwinkelobjektiv sehr nahe an der Filmebene / dem Sensor sein, um auf unendlich zu fokussieren.

Objektivdesigner fanden jedoch bald einen ziemlich coolen Trick heraus: Sie konnten eine lange effektive Brennweite erzeugen, indem sie ein Element mit kurzer Brennweite vorne und ein (etwas schwächeres) negatives Element dahinter platzierten. Beim Negativelement traf das Licht in genau dem gleichen Winkel auf die Filmebene, als ob es von einer langen Linse gebrochen worden wäre. Wenn wir ein bisschen (oder viel) übertreiben, erhalten wir eine Ersetzung wie die folgende:

Beide Objektive haben die gleiche effektive Brennweite, aber (offensichtlich) ist das zweite physikalisch etwas kürzer – es muss nicht annähernd so weit aus der Vorderseite der Kamera herausragen.

Die doppelte obere Linie im zweiten Design bringt uns jedoch zu unserem zweiten Punkt: der chromatischen Aberration. Die „innere“ Linie stellt blaues Licht dar, das durch die Linsen geht, und die „äußere“ Linie rotes Licht. Aufgrund seiner kürzeren Wellenlänge wird blaues Licht beim Durchgang durch eine Linse immer stärker gebrochen (gebogen) als rotes Licht. Je nach Glas kann der Unterschied zwischen der Brechung des roten und blauen Lichts jedoch recht groß oder relativ klein sein.

Wenn wir das richtige Glas für das vordere im Vergleich zum hinteren Element auswählen, können wir ungefähr das erreichen, was auf dem Bild gezeigt wird – das Ausmaß der zusätzlichen Biegung im vorderen Element wird genau durch das Ausmaß der zusätzlichen Biegung im zweiten Element kompensiert, also die rotes und blaues Licht kommen exakt zusammen in den Fokus.

Mit einem Zoom-Objektiv klappt das allerdings nicht ganz so einfach. Um ein Zoomobjektiv zu erhalten, nehmen wir das zweite Design, verschieben aber das hintere Element relativ zum vorderen Element. Wenn wir in diesem Fall das vordere Element nach vorne bewegen, weicht das blaue Licht weniger vom roten ab, wenn sie in das zweite Element eintreten, und da hinter dem zweiten Element kein Platz mehr ist, wird es stärker gebogen – als a Infolgedessen wird das blaue Licht nicht genau zusammen fokussiert, sondern "außerhalb" des roten Lichts, was sich im Bild als chromatische Aberration zeigt.

Wenn umgekehrt das hintere Element näher an den Sensor zurückbewegt wird, ist das blaue Licht weiter von dem roten Licht abgewichen, wenn es das zweite Element erreicht. Da das zweite Element näher am Sensor liegt, konvergiert es nicht mit dem Rot, sodass es immer noch "im Rot" landet, wenn es den Sensor erreicht - wieder chromatische Aberration (aber in die entgegengesetzte Richtung). ).

Wenn wir es dabei belassen würden, wären Zoomobjektive alle ziemlich schrecklich – jede Änderung der Brennweite würde riesige Mengen an CA ergeben. Um dem entgegenzuwirken, werden Elemente gruppiert. Anstatt nur das vordere Element und das zweite Element, wobei eines die durch das andere eingeführte CA kompensiert, hätten Sie zwei Gruppen von Elementen, von denen jede ihre eigene CA kompensiert, und das Verschieben der Gruppen relativ zueinander nicht Ändere die CA überhaupt.

So einfach ist es aber immer noch nicht. Es ist für eine Gruppe von Elementen physikalisch unmöglich, CA vollständig zu kompensieren. Ein Element beugt blaues Licht immer um einen Winkel , der größer ist als der Winkel, in dem es rotes Licht beugt. Wenn Sie die Elemente sehr nah beieinander platzieren, können Sie bestenfalls das rote und blaue Licht sehr nah beieinander und fast parallel, aber immer noch leicht getrennt, laufen lassen. Wenn Sie sie wieder zueinander biegen, werden sie nur in einem genauen Abstand zusammenlaufen; Bei jeder anderen Entfernung werden Sie mit CA in die eine oder andere Richtung enden.

Wie bereits erwähnt, müssen sich jedoch bei einem Zoomobjektiv die beteiligten Entfernungen ändern. Was der Linsendesigner normalerweise tun wird, ist zu versuchen, den ungünstigsten Fall von CA zu minimieren. Das ist ziemlich einfach (zumindest theoretisch): Er betrachtet den Bereich, durch den sich das hintere Element bewegt, und berechnet den Winkel, der genau in der Mitte dieses Bereichs eine Konvergenz erzeugt. Auf diese Weise teilt er die Dinge auf, sodass CA in eine Richtung gelangt, wenn sich das hintere Element näher zum Sensor bewegt, und in die andere Richtung, wenn es sich weiter weg bewegt. Natürlich ist es nicht wirklich nur das hintere Element – ​​er muss sich die Kombination aller Bewegungen aller Elementgruppen ansehen (und natürlich die von jedem eingeführte Streuung berücksichtigen).

Sobald er jedoch die Reichweite herausgefunden hat, minimiert er normalerweise den schlimmsten Fall, indem er die Differenz aufteilt – indem er ungefähr für die Mitte der Reichweite optimiert, sodass es in jeder Richtung etwas schlechter wird. Die Ausnahme ist ein Objektiv, von dem erwartet wird, dass es hauptsächlich an dem einen oder anderen Ende verwendet wird. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, auf ungefähr den zu erwartenden Nutzungsbereich zu optimieren und damit zu leben, dass der Worst Case schlimmer ausfallen wird, als es eigentlich sein müsste.

Natürlich betrachtet dies auch nur einen der mehreren Faktoren, die für ein Objektivdesign wichtig sind – der Designer muss auch (mindestens) Koma, Astigmatismus, Vignettierung, Verzeichnung und sphärische Aberration berücksichtigen – ganz zu schweigen von einem ein paar kleine Details wie Größe, Gewicht, Kosten und einfach die Möglichkeit, ein echtes Objektiv herzustellen, das so funktioniert, wie er es entworfen hat.

Leider habe ich auch Objektive gesehen, bei denen die zentralen Brennweiten am schlechtesten sind, daher ist Ihre Annahme nicht immer richtig.

Grundsätzlich besteht ein Zoom aus beweglichen optischen Elementen, die sich relativ zueinander bewegen müssen, um die Brennweite des Objektivs zu ändern. Optische Ingenieure sind dafür verantwortlich, die Leistung im gesamten Zoom mit einem festen Satz von Teilen in einer festen Reihenfolge zu optimieren. Sie können sich vorstellen, dass dies ein schwieriger Prozess ist.

Extremitäten sind anfälliger für Probleme, da die optischen Elemente zusammen oft am besten an einer festgelegten Position funktionieren und je weiter von dieser Position entfernt, desto weiter von der optimalen Leistung entfernt.

Das Design von Zoomobjektiven ist im Gegensatz zum Design von Prime-Objektiven (mit fester Brennweite) eher komplex. Mit einem Objektiv mit Festbrennweite ist es viel einfacher, optische Aberrationen wie chromatische Aberration, sphärische Aberration, Verzeichnung usw. zu korrigieren, also mit weniger Linsenelementen. Je weniger Linsenelemente (einzelne Glaslinsen, die beim Bau eines komplexen Kameraobjektivs verwendet werden), desto besser ist im Allgemeinen Ihre Bildqualität, da jedes Glasstück die Fokussierung des Lichts beeinflusst.

Zoomobjektive haben im Allgemeinen mehr Linsenelemente als Objektive mit fester Brennweite, manchmal erheblich mehr. Bei den größeren Brennweiten sind einige Zoomobjektive länger als ihre Brennweite und erfordern eine "retrofokale" Gruppe auf der Rückseite. Alle diese zusätzlichen Linsenelemente tragen jeweils zu den optischen Aberrationen bei, wobei einige die Aberrationen anderer Linsenelemente korrigieren. Bei einem Zoomobjektiv muss die optische Korrektur so erfolgen, dass sie über den gesamten Zoombereich hinweg die beste Gesamtqualität erzeugt, was normalerweise bedeutet, dass irgendwo ein Kompromiss eingegangen werden muss (man kann seinen Kuchen nicht haben und ihn auch essen).

Zoomobjektive haben normalerweise "schärfere" Punkte und "weichere" Punkte. Es ist nicht immer an den Extremen des Fokusbereichs ... manchmal ist es genau in der Mitte. Manchmal geht der Kompromiss zu Lasten der „Rand“-Schärfe des Bildes gegenüber der „Mitten“-Schärfe, die bei einer Brennweite schlechter sein kann als bei einer anderen. In jedem Fall erfordert die Anpassung an einen variablen Fokusbereich aufgrund der erforderlichen Komplexität einen Kompromiss.

Objektive mit höherer Qualität verwenden häufig fortschrittlichere Optiken, um Aberrationen zu korrigieren, normalerweise zu erheblichen Kosten. Ein Mittelklasse-Objektiv kann einfach mehr Linsen verwenden, um Aberrationen zu korrigieren, und ignorieren, wie sich Aberrationen im gesamten Brennweitenbereich ändern. Ein professionelles Objektiv der Spitzenklasse berücksichtigt die Variabilität der Aberrationen, verwendet fortschrittliche Optiken wie Glas mit hoher Dichte, Glas mit geringer Dispersion, asphärische Linsenelemente, Fluorit-Linsenelemente, apochromatische Linsenelemente, zusätzliche Korrekturgruppen usw., um die höchste Qualität im gesamten Fokus aufrechtzuerhalten Reichweite eines Zoomobjektivs. Bei Objektiven mit Festbrennweite müssen immer noch Kompromisse eingegangen werden, allerdings ist der Grad der Kompromisse tendenziell viel geringer.

Linsen beinhalten signifikante Korrekturen für Anomalien. Diese Anomalien werden als Aberrationen bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl von Aberrationen, einige der häufigsten sind sphärisch, Astigmatismus, chromatisch, Koma, tonnenförmig, kissenförmig, Feldkrümmung und unscharf.

Wenn es diese Aberrationen nicht gäbe, wäre das Linsendesign sehr einfach. Setzen Sie einfach ein oder zwei Objektive in eine gerade Linie, und Sie haben jedes Mal ein perfektes Bild. Aber wir wissen, dass diese Aberrationen existieren. Es ist unmöglich, diese Aberrationen vollständig zu korrigieren, nur für einen einzigen Punkt. Je mehr dieser Aberrationen vorhanden sind, desto "weicher" wird ein Bild aussehen.

Man kann die Verzerrung über einen langen Zeitraum minimieren, meistens indem man teurere Objektive herstellt. Die teureren Linsen stammen aus der Herstellung von nicht sphärischen Linsen, die schwieriger herzustellen sind.

Je mehr Sie sich vom Sweetspot des Objektivs entfernen, desto weicher wird es. Änderungen der Brennweite, Blende und Brennweite sind alle Einflussfaktoren im Sweet Spot. Wenn Sie also eine der 3 ändern, wird die Qualität beeinträchtigt. Wenn die Qualität des Objektivs hoch genug ist, wird die Verschlechterung kaum wahrnehmbar sein.