Wenn Sie mit einem Objektiv einer Spiegelreflexkamera hineinzoomen, warum geht das Objektiv hinein und dann heraus?

Es gibt keine einfache Beziehung zwischen der physikalischen Länge des Objektivs und seiner Brennweite. Beispielsweise ist ein Retrofokus-Weitwinkel im Allgemeinen länger als seine Brennweite, während ein Teleobjektiv kürzer als seine Brennweite ist. In einem Zoom befinden sich mehrere Linsengruppen, die sich unabhängig voneinander bewegen. Die Brennweite des Zooms hängt von den relativen Positionen der Gruppen ab und steht nicht immer einfach in Beziehung zur physikalischen Länge des Objektivs. Die einfachste mögliche Erklärung für dieses Verhalten ist jedoch, dass Ihr Zoom möglicherweise ein einfaches Retrofokus-Design hat.

Retrofokus-Zoom

Ein Retrofokus- Zoom besteht nur aus zwei Gruppen. Die vordere Gruppe mit negativer Brechkraft und (negativer) Brennweite f ₁ macht ein virtuelles Zwischenbild des Objekts irgendwo vor der Linse. Diese Gruppe funktioniert ähnlich wie die Brille kurzsichtiger Menschen: Sie bringt das Objekt „näher ans Auge“. Die Brennweite dieser Gruppe liegt nahe bei -35 mm.

Die hintere Gruppe positiver Brechkraft erzeugt auf dem Sensor ein invertiertes reelles Bild dieses virtuellen Zwischenbildes. Das Zwischenbild ist das „Objekt“ für diese Gruppe. Das endgültige Bild ist wie eine invertierte Kopie des virtuellen Bildes, skaliert mit einem Vergrößerungsfaktor m ₂ nahe –1, was negativ ist, weil das endgültige Bild invertiert ist.

Unter der Annahme, dass sich das Objekt im Unendlichen befindet, hat die gesamte Linse eine Brennweite f  =  f ₁ × m ₂ . Dies ist ein Produkt aus zwei negativen Zahlen, und das Ergebnis ist positiv.

In der obigen vereinfachten Zeichnung ist die erste Gruppe das Objektiv L1, die zweite Gruppe das Objektiv L2, der Zoom ist auf unendlich fokussiert, das Zwischenbild befindet sich links im Abstand x von L2 und der Sensor befindet sich bei P Die Vergrößerung von L2 ist m ₂ = – x '/ x .

Mit diesem Design ist es einfach, das Objektiv durch Bewegen der zweiten Gruppe zu zoomen. Wenn sich diese Gruppe näher am Sensor befindet, bietet sie eine kleine Vergrößerung (z. B. etwa -0,5) und damit eine kürzere Brennweite für das gesamte Objektiv. Wenn es nach vorne bewegt wird, näher an das Zwischenbild, haben Sie eine höhere Vergrößerung (z. B. etwa -1,6) und damit eine längere Brennweite für das gesamte Objektiv.

Wenn Sie jedoch die Vergrößerung dieser Gruppe ändern, ändert sich der Abstand zwischen dem Objekt (in diesem Fall dem Zwischenbild) und dem endgültigen Bild. Dieser Abstand ist minimal, wenn sich die Gruppe genau zwischen ihrem Objekt und ihrem Bild befindet, was bei einer Vergrößerung von -1 der Fall ist. Sie können dies leicht überprüfen, indem Sie mit einer Lupe das Bild einer Glühbirne auf ein Blatt Papier fokussieren: Der Abstand zwischen der Glühbirne und dem fokussierten Bild ist minimal, wenn das Bild die gleiche Größe wie das Objekt hat. Da im Fall des Zoomobjektivs das endgültige Bild an einer festen Position (auf dem Sensor) fallen muss, muss das Zwischenbild durch Bewegen der vorderen Gruppe bewegt werden. Dies erklärt das beobachtete Verhalten der vorderen Gruppe: Wenn Sie das Objektiv von 18 mm auf ~35 mm zoomen, beträgt die Vergrößerung m ₂geht von ~-0,5 auf -1 und die vordere Gruppe rückt näher an den Sensor heran. Wenn Sie von dort auf 55 mm zoomen, geht m ₂ von -1 auf ~-1,6 und die vordere Gruppe bewegt sich vom Sensor weg.

Beispiel 1

Dies ist nur ein theoretisches (über) vereinfachtes Modell für einen Zoom, bei dem jede Gruppe nur eine dünne Linse ist. Die Brennweiten der Gruppen betragen -35 mm (vordere Gruppe) und +35 mm (hintere Gruppe). Unter der Annahme eines Objekts im Unendlichen berechnete ich die Konfigurationen des Zooms für drei Brennweiten. Die folgende Tabelle zeigt die Positionen der Linsenelemente (in mm vom Sensor entfernt) in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des Zooms:

┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│   18 mm   │  121.1  │    53   │
│   35 mm   │  105    │    70   │
│   55 mm   │  112.3  │    90   │
└───────────┴─────────┴─────────┘

Und hier ist eine maßstabsgetreue Zeichnung:

Der Sensor ist rechts. Das Zwischenbild (nicht gezeichnet) befindet sich 35 mm links vom Frontelement. Das Interessante ist, dass die Bewegungen der Gruppen (sowohl vorne als auch hinten) mit dem übereinstimmen, was ich bei den meisten kleinen Zooms mittlerer Reichweite gesehen habe. Ein echter Zoom kann mehr Gruppen haben (IS wurde erwähnt), aber nur zwei werden wirklich für die Zoom-Aktion benötigt.

Beispiel 2

Ein realistischeres Beispiel finden Sie in diesem Patent für einige Nikon-1-Zoomobjektive . Es ist nicht das beste Beispiel, da diese Objektive für eine spiegellose Kamera gedacht sind. Eine der Ausführungsformen ist jedoch ein 10-30-mm-Mittelbereichszoom (27-81 Äquiv.), das in der Reichweite ziemlich nahe an einem 18-55 für 1,6-fach liegt.

Ich mag dieses Beispiel aber wegen der Figuren. Sehen Sie sich bitte die Abbildung auf Seite 1 an, genauer gesagt die Pfeile unten, unter den Bezeichnungen „G1“ und „G2“. Diese Pfeile zeigen, wie sich die Gruppen bewegen, wenn das Objektiv von Weitwinkel (W) auf Tele (T) gezoomt wird. Sie können sehen, dass sich die vordere Gruppe hin und her bewegt, während sich die zweite Gruppe monoton vorwärts bewegt. Das habe ich bei vielen Weitwinkel- und Mittelklasse-Zooms gesehen, wenn auch nicht bei allen (z. B. nicht beim Nikkor 18-70). Sie werden vielleicht bemerken, dass die zweite Gruppe einige Untergruppen enthält, darunter eine Gruppe für die Fokussierung (Gf) und eine Gruppe für die Bildstabilisierung (Gs). Diese Untergruppen sind jedoch irrelevant, wenn man nur den Zoomvorgang betrachtet.

Wie auch immer, das Interessante hier ist, dass, obwohl einige der bereitgestellten Beispiele drei Linsengruppen haben, die meisten (einschließlich der „bevorzugten Ausführungsform“) nur zwei haben. Zitieren des Patents (Absatz 077 auf Seite 67):

Ein optisches System gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält in der Reihenfolge von einer Objektseite eine erste Linsengruppe mit negativer Brechkraft und eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft.

Dies ist genau die Beschreibung eines Retrofokus-Objektivs.

Beispiel 3

Hier ist ein weiteres Patent von Nikon , das möglicherweise relevanter ist, da es hauptsächlich die 18-55-Art von APS-C-Zooms beschreibt.

Die Beispiele 1 und 2 dieses Patents beziehen sich auf solch ein einfaches Retrofokus-Design mit einer vorderen Gruppe mit einer Brennweite von –31,51 mm und einer hinteren Gruppe mit einer Brennweite von +37,95 mm. Aus den Datentabellen geht hervor, dass sich beim Zoomen des Objektivs von 18 auf 55 mm die vordere Gruppe zuerst nach hinten (zum Sensor hin) und dann nach vorne (vom Sensor weg) bewegt, während sich die hintere Gruppe monoton nach vorne bewegt.

Dieses Patent zeigt auch, dass das einfache Zwei-Gruppen-Design, das ich hier beschreibe, nicht die einzig mögliche Option ist. Betrachten Sie das Beispiel 5 dieses Patents. Dieses Objektiv hat vier Gruppen, die sich alle auf unterschiedliche Weise bewegen, wenn das Objektiv gezoomt wird. Beim Zoomen von 18 auf 55 mm bewegt sich die vordere Gruppe nach hinten, dann nach vorne und die hintere Gruppe bewegt sich monoton nach vorne. Von außen betrachtet sieht es also aus wie das einfache Zwei-Gruppen-Design von Beispiel 1, obwohl es intern etwas komplexer ist.

Auf der anderen Seite ist dieses spezielle Design eigentlich gar nicht so weit vom einfachen Retrofokus-Design entfernt. Wenn wir sagen, dass die Gruppen 2, 3 und 4 eine Art „Übergruppe“ darstellen, dann kann das Glas als Gruppe (G1) mit negativer Brechkraft gefolgt von der Übergruppe (G234) mit positiver Brechkraft beschrieben werden. Immer noch eine Art Retrofokus. Diese Beschreibung ist nicht völlig unangemessen, da sich die Gruppen 2, 3 und 4 mehr oder weniger auf die gleiche Weise bewegen: Sie bewegen sich alle monoton vorwärts, wenn das Objektiv von Weitwinkel auf Tele gezoomt wird, und ihre durchschnittliche Bewegung ist größer als die relativen Bewegungen zwischen ihnen. Aus der Tabelle der Objektivdaten habe ich die Brennweite dieser Supergruppe berechnet und festgestellt, dass sich nicht viel ändert: nur von 38,6 mm am Weitwinkelende des Zooms bis 34,8 mm am Teleende.

Obwohl ich nur wenige Patente untersucht habe, bin ich zu dem Schluss gekommen, dass eine Art Retrofokus-Design (aber nicht unbedingt mit nur zwei Gruppen) bei einem Zoom wahrscheinlich ist, wenn die folgenden drei Bedingungen erfüllt sind:

• Das Objektiv ist bei allen Einstellungen länger als seine Brennweite
• Wenn von Weitwinkel auf Tele gezoomt wird, bewegt sich das vordere Element zuerst zurück (näher zum Sensor) und dann nach vorne
• Beim Zoomen von Weitwinkel auf Tele bewegt sich das hintere Element immer nach vorne.

Die erste Bedingung dürften Spiegelreflex-Zooms mit einer maximalen Brennweite von maximal 55 mm immer erfüllen.

PS: Diese Antwort wurde stark bearbeitet, um mehrere Änderungen besser zusammenzuführen. Dabei habe ich einen wichtigen Punkt von Stan Rogers berücksichtigt, nämlich dass das einfache Design nicht das einzig mögliche Design ist.

Siehe Bearbeitungshinweis unter dieser Antwort.

Das Objektiv ist am breiten Ende retrofokal und am langen Ende telefokal. Ein Retrofokus-Objektiv wird als "umgekehrtes Teleobjektiv" bezeichnet, da es ähnlich wie ein Teleobjektiv mit umgekehrten Elementen aufgebaut ist. Der Effekt nimmt beim Einzoomen ab, bis Sie etwa 35 mm erreichen, bei denen sich das Objektiv auszufahren beginnt und schließlich zu einer Teleobjektivkonfiguration wird, bei der die Größe des Objektivs vom vorderen zum hinteren Element kleiner als die Brennweite ist. Zwischen diesen Positionen ist das Objektiv weder retrofokal noch telefokal. Dies führt dazu, dass das Objektiv an den Extremen des Zoombereichs länger ist als an Zwischenpositionen.

Dies geschieht im Wesentlichen mit Ihrem 18-55-mm-Objektiv. Soweit mir bekannt ist, teilen alle 18-55-mm-Objektive von Canon, Nikon, Pentax und Sony (A-Mount, nicht E-Mount) diesen Designaspekt.

Bearbeiten: Diese Antwort ist falsch, da sie auf einer falschen Definition von "Teleobjektiv" basiert. Bitte ignorieren Sie diese Antwort; Die Antwort von Edgar Bonet ist wahrscheinlich richtig. Siehe https://meta.stackexchange.com/a/22633/160017 .

Bei den meisten Zoom-Objektivdesigns werden beim Einzoomen der Objektivtubus und das vordere Element ausgefahren, das stimmt.

Aber es gibt einige Objektive wie das Canon EF 24-70, bei denen das Objektiv bei 24 mm vollständig ausgefahren und bei 70 mm vollständig eingefahren ist. Nach den vorderen Elementen zu urteilen, scheint es also rückwärts zu arbeiten!

Und es gibt IZ-Objektive (interner Zoom), bei denen sich das vordere Element überhaupt nicht bewegt.

Jedes Objektiv hat viele Gruppen von Elementen, von denen sich einige "heraus" und andere "hinein" bewegen. Ich denke, die einfache Antwort ist, dass Sie nicht nur beurteilen können, was Sie am Lauf und am vorderen Element sehen, es passiert viel mehr im Inneren. Einige Linsendesigns sind sehr kompliziert. Ich wäre sehr interessiert, wenn jemand ein einfaches Bild posten kann, um zu erklären, wie dieses spezielle Linsendesign funktioniert.