Wie funktionieren Zoomobjektive mit konstanter Blende?

Es gibt tatsächlich einen ziemlich grundlegenden Unterschied im Design. Die Blende (der Teil, der die Blende bildet) befindet sich bei fast jedem Objektiv irgendwo in der Mitte des Objektivs. Bei einem Zoom mit fester Blende bewegen sich nur die Elemente hinter der Blende, um zu zoomen. Bei einem Zoom mit variabler Blende bewegen sich Elemente sowohl hinter als auch vor der Blende, um das Zoomen durchzuführen.

Zumindest im Normalfall ändert sich der Durchmesser der Blende beim Zoomen nicht . Dies ist ziemlich einfach zu überprüfen – nehmen Sie Bilder mit unterschiedlichen Zoomverhältnissen und maximaler Blende mit einigen unscharfen Glanzlichtern auf. Zumindest bei Ihrem typischen Zoomobjektiv bleiben die unscharfen Glanzlichter bei allen Brennweiten rund, was darauf hinweist, dass die Blende weit geöffnet bleibt (wo sie rund ist). Blenden Sie das Objektiv ein paar Stopps aus, und Sie werden beginnen, die Form vom Schließen der Blendenlamellen zu sehen (obwohl Objektive mit vielen Lamellen, insbesondere abgerundeten, fast rund aussehende Glanzlichter etwas mehr behalten als andere).

Wenn sich die Elemente vor der Blende während des Zoomens bewegen, ändern Sie die (effektive) Brennweite dieses Teils des Objektivs. Sie übertragen dann Licht durch eine Blende mit festem Durchmesser, was bedeutet, dass sich die (effektive) Blende ändert. Da es nur von der Änderung der effektiven Brennweite der Elemente vor der Blende beeinflusst wird, korreliert die Änderung (normalerweise) nicht genau mit der Änderung der gesamten effektiven Brennweite – das Bewegen der Elemente hinter der Blende ändert die effektive Brennweite ohne Veränderung der effektiven Blende (zB mein 28-135 hat fast einen Zoombereich von 5:1, aber die Blende ändert sich nur von f/4.0 auf f/4.5).

Sie haben unterschiedliche Optiken und sind normalerweise wesentlich größere Objektive für denselben Brennweitenbereich (vergleichen Sie ein 70-200 mm 1: 2,8 mit einem 70-300 mm 1: 4,5-5,6 und sehen Sie, dass letzteres im Vergleich klein ist). Um die konstante Blende am langen Ende zu erhalten, benötigen Sie einen größeren Tubus, da die Blende ein Verhältnis zur Brennweite ist. Wenn Sie jedoch für Ihre Beispiele rechnen:

18 mm f/3,5 bedeutet eine Öffnung von 5,14 mm, 55 mm f/5,6 bedeutet eine Öffnung von 9,82 mm

17 mm 1: 4,0 bedeutet eine 4,25-mm-Öffnung 40 mm 1: 4,0 bedeutet eine 10-mm-Öffnung

Es ist klar, dass der physische Durchmesser der Blende in beiden Fällen größer sein kann. In beiden Fällen würden Sie also theoretisieren, dass Sie am weitesten Ende in der Lage sein sollten, f / 2.0 oder so ungefähr zu sein, und Ihr Sandbagging-Szenario würde dann für beide gelten. Andererseits kann für letzteres die Optik vereinfacht werden und sich somit im Ergebnis der Spitzenqualität annähern. Also... Kompromisse.

Auf jeden Fall haben Zooms eine ziemlich komplexe Konstruktion, viel mehr als es eine Festbrennweite jemals tun würde, und daher gibt es viele Überlegungen zur optischen Korrektur bei verschiedenen Brennweiten, zur Auswirkung der Blende auf diese Korrektur und so weiter. Angesichts des Objektivdesigns und der damit verbundenen Kosten kann es sein, dass der Versuch, am kurzen Ende breiter zu werden, zu einer äußerst inakzeptablen Weichheit des Bildes oder anderen Formen von Aberration führen würde.

Schließlich gibt es sicher unterschiedliche optische Konstruktionen zwischen den beiden. Verdammt, es gibt unterschiedliche optische Konstruktionen zwischen Objektiven derselben Konfiguration, aber unterschiedlicher Hersteller. Es hängt alles von Kosten und Nutzen ab und letztendlich davon, welchen Preis der Markt für ein Objektiv einer bestimmten Konstruktion tragen wird.

Einfach ausgedrückt bedeutet das Verhältnis 1: 4,0, dass die effektive Größe der Blende die Brennweite geteilt durch 4 ist - für ein 600 mm 1: 4,0 bedeutet dies nicht, dass es buchstäblich ein 150-mm-Loch gibt, in dem sich die Blendenlamellen befinden, sondern nur das Objektiv verhält sich so, als ob es eine gäbe. (Wenn Sie sich das Design der Canon 600 f/4.0 ansehen, ist klar, dass in der Mitte des Objektivs kein Platz für eine 150-mm-Öffnung ist).

Dies ist das Prinzip hinter Objektiven mit konstanter Blende, die Größe der virtuellen Blende ändert sich über den gesamten Zoombereich, trotz des Gesichts bleibt die physikalische Blende eindeutig gleich groß.

Alle Zooms ändern die Größe der virtuellen oder effektiven Blende während des Zoomens, "konstante Blende" (wirklich konstantes Blendenverhältnis) ändert einfach die Blende so weit, dass das Verhältnis von Blende zu Brennweite gleich bleibt. Das Design von Objektiven mit "konstanter Blende" unterscheidet sich nicht radikal, nur der Grad, in dem sich die scheinbare Blende ändert.

Um die Zahlen aus Johns Antwort zu stehlen (um sie nicht erneut auszuarbeiten), sind die Größen der virtuellen Blenden für die beiden genannten Objektive:

Canon EF-S 18–55 mm 1:3,5–5,6 5,14 mm bei 18 mm – 9,82 mm bei 55 mm

Canon EF 17-40 mm 1: 4,0 4,25 mm bei 17 mm - 10 mm bei 40 mm

Wenn die Optik im 18-55 die virtuelle Blende am langen Ende auf 15 mm machen würde, wäre es ein Objektiv mit konstanter Blende (@f/3.5), das wäre jedoch aufgrund des [relativ] großen Zoombereichs sehr teuer, weshalb als ein billiges Objektiv bleibt es f/5.6

Beim Objektiv mit konstanter Blende gibt es keine Sandsackbildung, am breiten Ende gibt sich das Objektiv so viel Mühe wie es kann, es ist nur so konstruiert, dass es sich am langen Ende schneller verhält!

Meine Frage ist: Sind diese guten Objektive bei den breiteren Einstellungen sandsackartig, oder haben sie ein anderes optisches System, das es ihnen ermöglicht, über den gesamten Zoombereich dieselbe Blende beizubehalten?

Denken Sie daran, dass bei Verwendung einer Blendenzahl zur Darstellung der Blende diese als Bruchteil der Brennweite ausgedrückt wird, sodass beim Zoomen derselbe effektive Blendendurchmesser als eine andere Zahl dargestellt wird. f/2.8 bei 20 mm ist die Hälfte des effektiven Blendendurchmessers von f/2.8 bei 40 mm. Ihr Zoom mit konstanter Blende behält also nicht wirklich "die gleiche Blende über den gesamten Zoombereich bei". Tatsächlich wäre ein 18-55-Zoom, das den gleichen effektiven Blendendurchmesser über den gesamten Zoombereich beibehält, etwa f / 3,5-10,7.

Also behält keine Art von Zoomobjektiv wirklich den gleichen effektiven Öffnungsdurchmesser bei. Beachten Sie, dass der effektive Durchmesser auch nicht unbedingt der wahre Durchmesser des Blendenrings ist, da ein Teil des Zoomeffekts darin besteht, dass der Blendenring selbst vergrößert wird. Entscheidend ist aber der Wirkdurchmesser .

Objektivdesigner kämpfen darum, eine Reihe von Problemen zu lösen, darunter chromatische Aberration, Verzerrung, Schärfe und Vignettierung. Bei einem Zoomobjektiv ist dies umso schwieriger, da es diese Probleme nicht nur bei einer einzigen Brennweite, sondern über den gesamten Zoombereich lösen muss. Allerdings macht jedes Linsendesign Kompromisse, einfach weil es so viele gegensätzliche Kräfte gibt. Bei einem Zoomobjektiv entscheiden die Objektivdesigner, mit welcher Blende sie bei jeder Brennweite im Zoombereich durchkommen können, ohne zu viel Weichzeichnung oder andere Probleme wie Vignettierung.

Es ist wünschenswert, dass ein Zoomobjektiv am Teleende einen viel größeren effektiven Blendendurchmesser hat als am Weitwinkelende, da Sie bei Vergrößerung des Bildes mehr Licht benötigen, damit die gleiche Menge auf den Sensor / Film fällt. Das heißt, Sie müssen viel breiter sein, um die gleiche Blendenzahl zu erreichen.

Billigere Zooms machen am Teleende oft nur mehr Kompromisse bei der Geschwindigkeit als teurere.

Zooms mit konstanter Blende wie das von Ihnen erwähnte Canon EF 17-40 mm 1: 4,0 L gehen einen anderen Kompromiss ein. Sie haben sich viel mehr Mühe gegeben, eine größere effektive Blende am Teleende zu erreichen. Infolgedessen verwenden sie jedoch mehr Glas und erzeugen ein schwereres Objektiv. Da alles auch ein Kompromiss ist, möchten sie nicht, dass sie sich bemühen, am Teleende eine größere Blende zu erhalten, um die Weichheit oder Vignettierung am breiten Ende zu erhöhen, sodass die maximale Blende des breiten Endes begrenzt wird. Sie erhalten also ein anderes Gleichgewicht der Blendengrößen im Vergleich zum billigeren, leichteren "variablen" (in Wirklichkeit tatsächlich weniger Variation in Bezug auf den tatsächlichen Blendendurchmesser) Blendenzoom, und alles, was wirklich davon abhängt, ist, welche Art von Kompromissen eingegangen wurden das Linsendesign.

Ich stimme der Einschätzung von user86418 zu, dass die Antwort von Jerry Coffin dies rückwärts hat, obwohl er wiederum die numerische Apertur mit ƒ / Zahl in Verbindung gebracht zu haben scheint.

Zitat von outdoorphotographer.com

Bei einem Zoom mit variabler Blende ... bewegen sich Elemente vor und hinter der Blende (und die Blende selbst bewegt sich), sodass sich die Eintrittspupille nicht proportional zur Vergrößerung ändert und sich die ƒ-Zahl beim Zoomen ändert Linse. (Hinweis: Einige Zooms können auch den physischen Öffnungsdurchmesser während des Zoomens ändern.)

Es gibt eine Reihe von „Formeln“ für Zoomobjektive, aber im Grunde ändert ein Telezoom die Vergrößerung (Brennweite) durch Bewegen von Elementen vor der Aperturblende.

Die Website von Pierre Toscani enthält detaillierte optische Diagramme eines Zooms mit konstanter Blende:

Es kommt darauf an, die richtige Kombination aus konkaven und konvexen Elementen zu verwenden, um den Lichtverlust im gesamten Zoombereich zu reduzieren. Während die f / 4.0 so aussieht, als würden Sie bei der schnelleren Blende betrogen, ist es eher das Ergebnis, ein möglichst scharfes Bild ohne chromatische Aberration zu erhalten und gleichzeitig ein konsistentes Timing und eine konsistente Beleuchtung über Ihren gesamten Zoom- und Brennweitenbereich beizubehalten.

Canon hat einige sehr gute Literatur, die all dies erklärt, zusammen mit der Verwendung der optischen Beugung in einigen ihrer neueren Objektive, um allen früheren Nachteilen der normalen Optik entgegenzuwirken. Poste ich sobald ich es wieder finde.

Lustigerweise ist die (derzeit) akzeptierte Antwort völlig falsch. Entweder das, oder die Terminologie "vor der Blende" und "hinter der Blende" wird eher von der Seite des Sensors als von der Frontlinse gesehen (was nicht viel Sinn machen würde).

Die Eintrittspupille, das durch die Frontlinse gesehene Abbild der Blendenöffnung, hat beim Zoomen mit konstanter Blendenzahl (womit Fotografen arbeiten und die meist der Öffnungsgröße der physikalischen Blende entspricht) einen zur Brennweite proportionalen Durchmesser Klingen). Offensichtlich erfordert diese Änderung der scheinbaren Größe eine Änderung der Linsenelemente zwischen Blende und Frontlinse. Diese Änderung reicht aus, um die gewünschte Änderung der Brennweite bei konstanter Blendenzahl zu bewirkenin schlichten Designs; Ein modernes Zoomobjektiv enthält jedoch weitaus mehr Elemente als nur die für die Bestimmung der Brennweite verantwortlichen: Es sind auch viele Korrekturelemente beteiligt. Ob sich zusätzlich zu den vorderen Gruppen auch noch die hinteren Gruppen bewegen, ist also eine Frage des genauen optischen Rezepts.