Wie begrenzen Zoomobjektive ihre größte Öffnung am Teleende?

Die Eintrittspupille wird durch den Durchmesser des Frontelements begrenzt, und das ist es, was normalerweise die maximale Öffnung von Telezoomobjektiven begrenzt - nicht die physikalische Größe der Aperturblende.

Die physikalische Größe der Blende ist nur ein Teil dessen, was die maximale Öffnung, ausgedrückt als Blendenzahl, eines Objektivs bestimmt. Die Vergrößerung zwischen der Vorderseite des Objektivs und der Position der Blende spielt ebenfalls eine Rolle. Die Blendenzahl einer Blende wird durch das Verhältnis der Brennweite des Objektivs dividiert durch den Durchmesser der Eintrittspupille bestimmt , oft als effektive Blende bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt wird der Durchmesser der Eintrittspupille dadurch definiert, wie weit die Blendenöffnung bei Betrachtung durch die Linsenvorderseite erscheint .

Wenn Zoomobjektive mit konstanter Blende bewegt werden, um die Brennweite zu ändern, ändert sich normalerweise die Vergrößerung zwischen der Vorderseite des Objektivs und der Blende, nicht die physikalische Größe der Blende. Die Änderung der Vergrößerung lässt die Eintrittspupille bei längeren Brennweiten größer und bei kürzeren Brennweiten kleiner erscheinen. Ein 70-200 mm 1: 2,8-Objektiv hat eine Eintrittspupille von 25 mm Durchmesser bei 70 mm und 1: 2,8. Bei 200 mm ist die Eintrittspupille bei f/2.8 etwas mehr als 71 mm breit. Die eigentliche physikalische Membran ist in beiden Fällen gleich groß. Was sich geändert hat, ist die Vergrößerung zwischen der Blendenbaugruppe und der Vorderseite des Objektivs.

Beachten Sie, dass dasselbe Prinzip normalerweise auch bei Zoomobjektiven mit variabler Blende im Spiel ist. Nehmen Sie zum Beispiel ein 18–300 mm f/3,5–5,6 Zoomobjektiv. Bei 18 mm ist die Eintrittspupille für f/3,5 etwa 5,14 mm breit. Bei 300 mm ist die Eintrittspupille für f/5,6 mehr als zehnmal so groß wie bei 53,6 mm Breite. Beachten Sie, dass die meisten Zoomobjektive, die bei 300 mm und f/5,6 maximal sind, vordere Elemente haben, die einen Durchmesser von etwas mehr als 54 mm haben. Die benötigte Eintrittspupille ist der Grund! Wenn die Eintrittspupille bei 300 mm immer noch 5,14 mm breit wäre wie bei 18 mm und f/3,5, wäre die maximale Blende bei 300 mm f/58!

Warum verwenden also nicht alle Zoomobjektive eine ausreichende Vergrößerung, um über den gesamten Zoombereich bei konstanter Blende zu bleiben? In erster Linie die Kosten, die mit der zusätzlichen Größe, dem Gewicht und der Komplexität verbunden sind, die erforderlich sind, um ein Objektiv mit konstanter Apertur herzustellen.

Eine Eintrittspupille kann bei einem Objektiv mit engem Blickwinkel nicht viel größer sein als der Durchmesser der Frontlinse des Objektivs. Bei 200 mm erfordert eine Blende von f/5,6 eine Eintrittspupille von fast 36 mm Durchmesser. Die meisten aktuellen Wechselobjektive haben einen mindestens so großen Durchmesser, da die Befestigungsflansche an den meisten modernen Kameras mit Wechselobjektiven Durchmesser von ungefähr 42 bis 54 Millimetern haben. (Bitte beachten Sie, dass wir von der Breite des Lochs im Montageflansch sprechen, nicht von dem Abstand des Montageflanschs vor der Sensor-/Filmebene, der als Registrierungsabstand bezeichnet wird.) Andererseits ist bei 200 mm an Eine Blende von f/2,8 erfordert eine Eintrittspupille von etwa 71,4 mm Breite. Dazu muss das Objektiv im Durchmesser deutlich größer sein als das Loch im Montageflansch.

Nicht nur der Objektivtubus und alle Teile des Objektivs, die den Strahlengang umgeben, müssen größer sein und erfordern daher größere Mengen des Rohmaterials, aus dem sie hergestellt werden, sondern auch die eigentlichen optischen Elemente müssen einen größeren Durchmesser haben und dicker, um die gleichen Brechungswinkel beizubehalten. Die größeren Linsenelemente führen auch mehr Aberrationen ein, die korrigiert werden müssen. Oft sind die teuersten Materialien in einer Linse diejenigen, die verwendet werden, um diese korrigierenden optischen Elemente herzustellen. Das Hinzufügen von Elementen zur Korrektur von Dingen wie chromatischer Aberration kann zusätzliche Probleme wie geometrische Verzerrungen einführen, als dass noch mehr zusätzliche Elemente zur Korrektur erforderlich sind. Daher müssen nicht nur das gesamte Objektiv und viele der darin enthaltenen optischen Elemente größer werden, sondern es werden auch mehr optische Komponenten aus teureren Materialien benötigt.

Die meisten Leute würden, wenn sie nicht wirklich diese größere Blende brauchen , genauso schnell ein leichteres, kleineres Objektiv mit sich herumtragen, für das sie viel weniger bezahlen.

Die Qualität eines modernen Zoomobjektivs ist angesichts aller Herstellungsprobleme herausragend. Der Hersteller würde nichts lieber tun, als die maximale Blende während des gesamten Zooms konstant zu halten. Das ist leichter gesagt als getan.

Die Blendenzahl ist ein Verhältnis. Mathematisch teilen wir die Brennweite durch den Durchmesser der Arbeitsblende, um die Blendenzahl zu berechnen. Wir brauchen diesen Wert, um ein Verhältnis zu sein, weil ein Verhältnis dimensionslos ist. Mit anderen Worten, ein f/4-Objektiv leitet unabhängig von den Abmessungen des Objektivs die gleiche Lichtenergie an Film oder Sensor weiter. Beispielsweise funktioniert ein 100-mm-Objektiv mit einer Blende von 25 mm Durchmesser bei f/4. Dieses Lash-up liefert die gleiche Bildhelligkeit wie ein astronomisches Teleskopsystem mit einer Brennweite von 4000 mm bei einer Arbeitsöffnung von 1000 mm. Beide belichten die gleiche Aussicht gleich.

Wir brauchen das Blendenzahlensystem, weil es das Chaos beseitigt. Jedes Objektiv, das auf die gleiche Blendenzahl wie jedes andere Objektiv eingestellt ist, liefert die gleiche Bildhelligkeit. Denn Brennweite und Blendendurchmesser sind miteinander verflochten. Wenn Sie auf immer höhere Vergrößerungen zoomen, wird das Bild dunkler. Denken Sie daran, einen Projektor immer weiter von einer weißen Wand zu entfernen. Wenn Sie den Projektor von der Wand wegrücken, wird das projizierte Bild an der Wand größer und das Bild dunkler, da das Licht eine größere Fläche abdecken muss. Dasselbe gilt für ein Zoomobjektiv.

Irgendwie muss der Linsenhersteller kompensieren, oder eine konstante Blendenzahl kann nicht über den gesamten Zoom beibehalten werden. Die meisten Zooms können keine konstante Blendenzahl beibehalten. Es wird zu teuer in der Herstellung und Verkäufe gehen verloren, weil Sie sich aus dem Markt herausgepreist haben.

Wie behält man während des gesamten Zooms eine konstante Blendenzahl bei? Die Irisblende ist hinter der beweglichen Linsengruppe angeordnet. Die vordere Gruppe wirkt wie eine Lupe, um den scheinbaren Durchmesser der Iris von vorne gesehen größer erscheinen zu lassen. Diese Platzierung lässt immer mehr Licht durch die Iris passieren, wenn das Objektiv auf immer höhere Vergrößerungen zoomt. Eine solche Anordnung und Wirkungsweise der vorderen Linsenelemente führt zu Verzerrungen und Aberrationen, die korrigiert werden müssen. Diese Korrektur erfordert komplexe Linsenelemente, die sich präzise bewegen müssen. Dies erhöht die Kosten. Unter dem Strich ist ein Zoom mit konstanter Blende sehr teuer in der Herstellung.

Ob ein Zoomobjektiv eine konstante Blende oder eine variable Blende hat, hat erstens mit dem Design zu tun, zweitens mit mechanischen Faktoren wie dem Öffnen oder Schließen einer Blende.

Ein Zoomobjektiv funktioniert, indem einige Elemente bewegt werden, um die Brennweite zu ändern. Dies funktioniert aufgrund der Gleichung für die Brennweite einer dicken Linse:

(1) Phi = phi_1 + phi_2 – (t/n)*phi_1*phi_2

(2) EFL = 1/Phi

Wobei Phi die optische Gesamtstärke der dicken Linse ist, phi_1 und phi_2 die optische Stärke der ersten und zweiten Oberfläche sind, t die Dicke zwischen ihnen ist und n der Brechungsindex der Linse ist. EFL steht für effektive Brennweite und wird umgangssprachlich mit Brennweite bezeichnet.

Jedes optische System, das eine beliebige Anzahl von Elementen enthält, kann genau als einzelne dünne Linse modelliert werden. Diese Gleichung funktioniert auch für dünne Linsen, aber der t/n-Term verschwindet, da t=0. Ein 50-mm-1:1,8-Objektiv kann als einzelnes dünnes Objektiv mit einer Brennweite von 50 mm modelliert werden, ebenso wie ein 18-300-mm-Objektiv, das auf 50 mm eingestellt ist.

Sie können diese Formel auch verwenden, um 2 dünne Linsen zu modellieren. Solange die Linsen positiv sind, können Sie sehen, dass der t/n-Term größer wird, wenn Sie sie weiter auseinander schieben. Mit zunehmender Größe nimmt die Leistung ab und die Brennweite wird größer.

Das ist die Essenz eines Zoomobjektivs.

Sobald man in ein optisches System eine Aperturblende einführt, hat man sogenannte Eintritts- und Austrittspupille . Die Eintrittspupille ist das Bild der Aperturblende, die von den Elementen davor gebildet wird, und die Austrittspupille ist das Bild der Aperturblende, die von den Elementen dahinter gebildet wird.

Die Pupillen haben eine Position und Größe wie ein Linsenelement oder die eigentliche Blende selbst. Die Blendenzahl eines Objektivs kann angenähert werden durch

(3) f/# = EFL/EPD

Dabei ist f/# das „Brennweitenverhältnis“, EFL die effektive Brennweite und EPD der Durchmesser der Eintrittspupille.

Kleben wir eine Aperturblende in die Mitte zweier durch Luft getrennter dünner Linsen. Wenn wir die EFL des Linsensystems erhöhen, indem wir die vordere Linse nach vorne bewegen, ändert sich die EPD damit. Wenn wir die EFL der Linse erhöhen, indem wir die hintere Linse nach hinten bewegen, ändert sich die EPD nicht damit, da diese Linse die Eintrittspupille in keiner Weise beeinflusst.

Es kommt vor, dass, wenn man keinen extrem großen Zoombereich macht, die Vergrößerung der für die EPD verantwortlichen Blende im gleichen Maße wie die Brennweite zunimmt. Da sich sowohl der Zähler als auch der Nenner von (3) um den gleichen relativen Betrag geändert haben, ist das Verhältnis immer noch dasselbe und somit hat sich unser Objektiv möglicherweise von 70 mm auf 200 mm bewegt und eine Blende von f/4 beibehalten.

Wenn wir das Objektiv nach hinten bewegt hätten, wäre das Objektiv durch Zoomen von 70 mm auf 200 mm auf etwa f/10 oder so abgebremst worden.

Ein modernes Zoomobjektiv hat 3 oder 4 Zoomgruppen, also ist es komplizierter als diese einfache Erklärung. Wenn alle vor der Aperturblende stehen, gilt das immer noch. Wenn sich die meisten von ihnen vor der Aperturblende befinden, neigt der Hersteller dazu, die Blende so zu programmieren, dass sie sich öffnet / schließt, während das Objektiv zoomt, und einfach den Spalt betrügt, damit es sich wie ein Objektiv mit konstanter Blende verhält.

Sie fragen sich vielleicht, warum Sie nicht einfach alle Gruppen vor die Haltestelle stellen und fertig sind - es gibt zwei Hauptmotive:

1) Wenn Sie das gesamte Zoomen vor der Blende erzwingen, ist das Objektiv zwangsläufig länger, als wenn es auf beiden Seiten zoomen könnte.

2) Es ist einfacher, ein gut korrigiertes Objektiv zu entwerfen, wenn Sie die Position der Elemente auf beiden Seiten ändern können.