ไม่มีความสัมพันธ์อย่างง่ายระหว่างความยาวทางกายภาพของเลนส์และความยาวโฟกัสของเลนส์ ยกตัวอย่างเช่นมุมกว้าง retrofocus โดยทั่วไปจะยาวกว่าความยาวโฟกัสของมันในขณะที่เลนส์เทเลโฟโต้สั้นกว่าความยาวโฟกัสของมัน ในการซูมคุณมีกลุ่มเลนส์หลายกลุ่มที่เคลื่อนไหวอย่างอิสระ ความยาวโฟกัสของการซูมขึ้นอยู่กับ
ตำแหน่งสัมพัทธ์ของกลุ่มและไม่เกี่ยวข้องกับความยาวทางกายภาพของเลนส์เสมอไป ดังที่กล่าวไว้คำอธิบายที่เป็นไปได้ที่ง่ายที่สุดสำหรับพฤติกรรมนี้คือการซูมของคุณอาจเป็นการออกแบบการปรับโฟกัสอัตโนมัติอย่างง่าย
ปรับซูมอัตโนมัติ
การ
ซูมด้วยretrofocusนั้นทำจากสองกลุ่มเท่านั้น กลุ่มด้านหน้าซึ่งมีพลังการหักเหเชิงลบและระยะโฟกัส (ลบ) f 1ทำให้ภาพกลางเสมือนจริงของวัตถุอยู่ด้านหน้าเลนส์ คนกลุ่มนี้ทำงานเหมือนแว่นสายตาสั้นที่คนสวมใส่: มันทำให้วัตถุ“ ใกล้กับดวงตา” มากขึ้น ความยาวโฟกัสของกลุ่มนี้อยู่ที่ -35 มม.
กลุ่มด้านหลังซึ่งมีพลังการหักเหของแสงเป็นบวกทำให้เซ็นเซอร์เป็นภาพที่กลับด้านจริงของภาพเสมือนจริงระดับกลางนี้ ภาพกลางคือ“ วัตถุ” สำหรับกลุ่มนี้ ภาพสุดท้ายเป็นเหมือนสำเนากลับภาพเสมือนจริงปรับอัตราส่วนด้วยปัจจัยการขยาย
m 2ใกล้กับ -1 ซึ่งเป็นค่าลบเนื่องจากภาพสุดท้ายกลับด้าน
สมมติว่าวัตถุที่อินฟินิตี้, เลนส์ทั้งมีความยาวโฟกัส
F = F 1 × ม. 2 นี่คือผลคูณของจำนวนลบสองตัวและผลลัพธ์เป็นบวก
ในการวาดอย่างง่ายด้านบนกลุ่มแรกคือเลนส์ L1 กลุ่มที่สองคือเลนส์ L2 การซูมโฟกัสที่ระยะอนันต์ภาพกลางอยู่ทางซ้ายที่ระยะxจาก L2 และเซ็นเซอร์อยู่ที่ P . กำลังขยายของ L2 คือม. 2 = - x '/ x
ด้วยการออกแบบนี้มันเป็นเรื่องง่ายที่จะซูมเลนส์โดยการย้ายกลุ่มที่สอง เมื่อกลุ่มนี้อยู่ใกล้กับเซ็นเซอร์จะให้กำลังขยายเล็กน้อย (ประมาณ -0.5) และทำให้ความยาวโฟกัสสั้นลงสำหรับเลนส์ทั้งหมด เมื่อเลื่อนไปข้างหน้าใกล้กับภาพกลางคุณจะมีกำลังขยายที่สูงขึ้น (ประมาณ -1.6) และทำให้ระยะโฟกัสยาวขึ้นสำหรับเลนส์ทั้งหมด
อย่างไรก็ตามเมื่อคุณเปลี่ยนการขยายของกลุ่มนี้ระยะห่างระหว่างวัตถุ (ในกรณีนี้คือรูปภาพกลาง) และรูปภาพสุดท้ายจะเปลี่ยนไป ระยะห่างนี้จะน้อยที่สุดเมื่อกลุ่มอยู่ระหว่างวัตถุกับภาพซึ่งเกิดขึ้นเมื่อกำลังขยาย -1 คุณสามารถตรวจสอบสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดายโดยใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสภาพของหลอดไฟบนกระดาษ: ระยะห่างระหว่างหลอดไฟกับภาพที่โฟกัสนั้นน้อยที่สุดเมื่อภาพมีขนาดเท่ากับวัตถุ ในกรณีของเลนส์ซูมเนื่องจากภาพสุดท้ายจะต้องตกอยู่ในตำแหน่งที่คงที่ (บนเซ็นเซอร์) จะต้องย้ายภาพกลางโดยการเลื่อนกลุ่มด้านหน้า สิ่งนี้อธิบายพฤติกรรมที่สังเกตได้ของกลุ่มด้านหน้า: เมื่อคุณซูมเลนส์จาก 18 มม. ถึง ~ 35 มม. การขยายm 2ไปจาก ~ -0.5 ถึง -1 และกลุ่มด้านหน้าขยับเข้าใกล้เซ็นเซอร์มากขึ้น เมื่อคุณซูมจากที่นี่ถึง 55 มม. ม
. 2จะเปลี่ยนจาก -1 ถึง ~ -1.6 และกลุ่มด้านหน้าขยับออกห่างจากเซ็นเซอร์
ตัวอย่างที่ 1
นี่เป็นเพียงแบบจำลองทางทฤษฎี (ด้านบน) สำหรับการซูมโดยที่แต่ละกลุ่มเป็นเพียงเลนส์บาง ๆ ความยาวโฟกัสของกลุ่มคือ -35 มม. (กลุ่มด้านหน้า) และ +35 มม. (กลุ่มหลัง) สมมติว่าวัตถุที่ไม่มีที่สิ้นสุดฉันคำนวณการกำหนดค่าของการซูมเป็นสามทางยาวโฟกัส ตารางด้านล่างแสดงตำแหน่งขององค์ประกอบเลนส์ (ในหน่วยมิลลิเมตรจากเซ็นเซอร์) เป็นฟังก์ชั่นของความยาวโฟกัสที่ตั้งค่าการซูมไว้ที่:
┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ f. length │ group 1 │ group 2 │
├───────────┼─────────┼─────────┤
│ 18 mm │ 121.1 │ 53 │
│ 35 mm │ 105 │ 70 │
│ 55 mm │ 112.3 │ 90 │
└───────────┴─────────┴─────────┘
และนี่คือภาพวาดเพื่อขยาย:
เซ็นเซอร์อยู่ทางด้านขวา ภาพกลาง (ไม่ถูกวาด) คือ 35 มม. ทางด้านซ้ายขององค์ประกอบด้านหน้า สิ่งที่น่าสนใจคือการเคลื่อนไหวของกลุ่ม (ทั้งด้านหน้าและด้านหลัง) ตรงกับสิ่งที่ฉันเห็นในการซูมช่วงกลางขนาดเล็กที่สุด การซูมจริงอาจมีกลุ่มมากกว่า (ได้รับการกล่าวถึง IS) แต่มีความจำเป็นเพียงสองอย่างสำหรับการซูม
ตัวอย่างที่ 2
สำหรับตัวอย่างที่สมจริงมากขึ้นเห็นนี้
สิทธิบัตรสำหรับบาง Nikon 1 ซูม มันไม่ใช่ตัวอย่างที่ดีที่สุดเพราะเลนส์เหล่านี้มีไว้สำหรับกล้องมิเรอร์เลส อย่างไรก็ตามหนึ่งในศูนย์รวมคือการซูมระดับกลาง 10-30 มม. (27-81 equiv.) ซึ่งอยู่ในระยะใกล้ถึง 18-55 สำหรับ 1.6 ×
ฉันชอบตัวอย่างนี้เพราะตัวเลข โปรดดูรูปที่หน้า 1 และอื่น ๆ โดยเฉพาะที่ลูกศรที่ด้านล่างด้านล่างป้ายกำกับ "G1" และ "G2" ลูกศรเหล่านี้แสดงวิธีการย้ายกลุ่มเมื่อเลนส์ถูกซูมจากมุมกว้าง (W) ไปยัง tele (T) คุณจะเห็นได้ว่ากลุ่มด้านหน้าเคลื่อนไปข้างหน้าจากนั้นไปข้างหน้าในขณะที่กลุ่มที่สองเคลื่อนไปข้างหน้าอย่างน่าเบื่อ นั่นคือสิ่งที่ฉันได้เห็นในการซูมแบบกว้างและระดับกลางแม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในทั้งหมด (ไม่ใช่ใน Nikkor 18-70 เป็นต้น) คุณอาจสังเกตเห็นว่ากลุ่มที่สองมีกลุ่มย่อยบางกลุ่มรวมถึงกลุ่มหนึ่งสำหรับการโฟกัส (Gf) และกลุ่มหนึ่งสำหรับการป้องกันภาพสั่นไหว (Gs) กลุ่มย่อยเหล่านี้เป็นอย่างไรไม่เกี่ยวข้องเมื่อพิจารณาเฉพาะการดำเนินการซูม
อย่างไรก็ตามสิ่งที่น่าสนใจที่นี่คือถึงแม้ว่าตัวอย่างบางส่วนที่ให้มามีกลุ่มเลนส์สามกลุ่มส่วนใหญ่ (รวมถึง "ศูนย์รวมที่ต้องการ") มีเพียงสองกลุ่มเท่านั้น การอ้างสิทธิบัตร (077 วรรคในหน้า 67):
ระบบออพติคอลตามศูนย์รวมในปัจจุบันประกอบด้วยกลุ่มเลนส์กลุ่มแรกที่มีพลังงานการหักเหเชิงลบและกลุ่มเลนส์ตัวที่สองที่มีพลังการหักเหเชิงบวก
นี่เป็นคำอธิบายของเลนส์ปรับโฟกัสอัตโนมัติ
ตัวอย่างที่ 3
นี่คือ
สิทธิบัตรอื่นของ Nikon
ซึ่งอาจมีความเกี่ยวข้องมากกว่าเนื่องจากส่วนใหญ่จะอธิบายการซูม APS-C แบบ 18-55
ตัวอย่างที่ 1 และ 2 ของสิทธิบัตรนี้มีไว้สำหรับการออกแบบ retrofocus ง่ายๆโดยมีกลุ่มด้านหน้าที่มีความยาวโฟกัส -31.51 มม. และกลุ่มหลังที่มีความยาวโฟกัส +37.95 มม. จากตารางข้อมูลที่เราเห็นว่าเมื่อคุณซูมเลนส์จาก 18 ถึง 55 มม. กลุ่มด้านหน้าจะเลื่อนไปด้านหลัง (ไปทางเซ็นเซอร์) จากนั้นไปข้างหน้า (ห่างจากเซ็นเซอร์) ในขณะที่กลุ่มด้านหลังเลื่อนไปข้างหน้าอย่างน่าเบื่อ
สิทธิบัตรนี้แสดงให้เห็นว่าการออกแบบสองกลุ่มแบบง่าย ๆ ที่ฉันอธิบายที่นี่ไม่ใช่ตัวเลือกเดียวที่เป็นไปได้ ลองพิจารณาตัวอย่างที่ 5 ของสิทธิบัตรนี้ เลนส์นี้มีสี่กลุ่มที่เคลื่อนไหวในรูปแบบที่แตกต่างกันเมื่อซูมเลนส์ เมื่อซูมจาก 18 ถึง 55 มม. กลุ่มด้านหน้าจะเลื่อนไปข้างหน้าจากนั้นไปข้างหน้าและกลุ่มด้านหลังจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างน่าเบื่อ ดังที่เห็นจากภายนอกดูเหมือนว่าการออกแบบสองกลุ่มอย่างง่ายของตัวอย่างที่ 1 แม้ว่าภายในจะมีความซับซ้อนมากกว่า
ในทางกลับกันการออกแบบเฉพาะนี้ไม่ได้ไกล
จากการออกแบบเรติโฟกัสอย่างง่าย ถ้าเราบอกว่ากลุ่มที่ 2, 3 และ 4 นั้นเป็น“ กลุ่มซุปเปอร์” ดังนั้นเลนส์สามารถอธิบายได้ว่าเป็นกลุ่ม (G1) ของพลังงานการหักเหเชิงลบตามด้วยกลุ่มซุปเปอร์ (G234) ของพลังการหักเหแสงเป็นบวก ยังคงเป็นชนิดของการปรับเปลี่ยนโฟกัส คำอธิบายนี้ไม่สมเหตุสมผลอย่างสมบูรณ์ในขณะที่กลุ่มที่ 2, 3 และ 4 เคลื่อนไหวในแบบเดียวกันมากขึ้นหรือน้อยลง: พวกมันทั้งหมดเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างน่าเบื่อเมื่อเลนส์ถูกซูมจากที่กว้างไปยังเทเลและการเคลื่อนไหวเฉลี่ยของพวกมันนั้น จากตารางข้อมูลเลนส์ฉันคำนวณความยาวโฟกัสของกลุ่มซุปเปอร์นี้และพบว่ามันไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก: จาก 38.6 มม. ที่มุมกว้างสุดของซูมถึง 34.8 มม. ที่ระยะไกล
แม้ว่าฉันจะตรวจสอบสิทธิบัตรเพียงไม่กี่ข้อสรุปของฉันคือการออกแบบ retrofocus บางประเภท (แต่ไม่จำเป็นต้องมีเพียงสองกลุ่ม) มีแนวโน้มที่จะซูมหากพบสามเงื่อนไขต่อไปนี้:
- เลนส์ยาวกว่าความยาวโฟกัสของการตั้งค่าทั้งหมด
- เมื่อซูมจากระยะไกลไปยังระยะไกลองค์ประกอบด้านหน้าจะเลื่อนไปด้านหลังก่อน (ใกล้กับเซ็นเซอร์) จากนั้นไปข้างหน้า
- เมื่อซูมจากระยะไกลถึงไกลองค์ประกอบด้านหลังจะเลื่อนไปข้างหน้าเสมอ
เงื่อนไขแรกน่าจะเกิดขึ้นได้เสมอด้วยการซูม SLR ที่มีความยาวโฟกัสสูงสุดไม่เกิน 55 มม.
PS:คำตอบนี้ได้รับการแก้ไขอย่างมากเพื่อที่จะรวมการแก้ไขหลาย ๆ ในกระบวนการนี้ฉันได้รวบรวมประเด็นสำคัญที่ Stan Rogers กล่าวไว้ว่าการออกแบบที่เรียบง่ายไม่ใช่การออกแบบที่เป็นไปได้เท่านั้น