เลนส์ซูม จำกัด การเปิดรูรับแสงกว้างที่สุดที่ปลายเทเลโฟโต้อย่างไร

วงแหวนรูรับแสงล็อครูรับแสงเกินกว่านั้นแล้วพูดที่ระยะเทเลโฟโต้เลนส์ยาว 5.6 หรือไม่? เลนส์แนะนำสิ่งกีดขวางวงแหวนวงแหวนเพื่อให้เลนส์ไม่สามารถเปิดได้เกินกว่ารูรับแสงที่ปลายเทเลโฟโต้หรือไม่

แล้วทำไมเลนส์ถึงมีพฤติกรรมเช่นนี้ล่ะ? ทำไมพวกเขาจึงไม่มีรูรับแสงคงที่ตลอดช่วงโฟกัส

รูม่านตาถูก จำกัด ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางขององค์ประกอบด้านหน้าและนั่นคือสิ่งที่ จำกัด ขนาดรูรับแสงสูงสุดของเลนส์ซูมเทเลโฟโต้ - ไม่ใช่ขนาดทางกายภาพของไดอะแฟรมรูรับแสง

ขนาดทางกายภาพของไดอะแฟรมเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสิ่งที่กำหนดค่ารูรับแสงสูงสุดซึ่งแสดงเป็นเลนส์ f-number การขยายระหว่างด้านหน้าของเลนส์และตำแหน่งของไดอะแฟรมนั้นก็มีส่วนสำคัญเช่นกัน จำนวนรูรับแสงจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของความยาวโฟกัสของเลนส์หารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของรูม่านตาซึ่งมักเรียกว่ารูรับแสงที่มีประสิทธิภาพ ในภาษาที่เรียบง่ายเข้านักเรียนเส้นผ่าศูนย์กลางจะถูกกำหนดโดยความกว้างการเปิดตัวของไดอะแฟรมปรากฏขึ้นเมื่อมองผ่านด้านหน้าของเลนส์

เมื่อเลื่อนเลนส์ซูมรูรับแสงอย่างต่อเนื่องเพื่อเปลี่ยนความยาวโฟกัสการขยายระหว่างด้านหน้าของเลนส์และไดอะแฟรมนั้นเป็นสิ่งที่เปลี่ยนแปลงตามปกติไม่ใช่ขนาดทางกายภาพของไดอะแฟรม การเปลี่ยนกำลังขยายเป็นสิ่งที่ทำให้นักเรียนที่เข้ามาดูมีขนาดใหญ่ขึ้นที่ความยาวโฟกัสยาวขึ้นและเล็กลงด้วยความยาวโฟกัสสั้นลง เลนส์ 70-200 มม. f / 2.8 มีรูม่านเข้าขนาด 25mm ที่ 70 มม. และ f / 2.8 ที่ 200 มม. รูม่านเข้าที่ f / 2.8 นั้นกว้างกว่า 71 มม ไดอะแฟรมทางกายภาพที่แท้จริงมีขนาดเท่ากันในทั้งสองกรณี สิ่งที่เปลี่ยนไปคือปริมาณการขยายระหว่างชุดไดอะแฟรมและด้านหน้าของเลนส์

โปรดทราบว่าหลักการเดียวกันนี้มักใช้กับเลนส์ซูมรูรับแสงที่ปรับเปลี่ยนได้เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นเลนส์ซูมขนาด 18-300 มม. f / 3.5-5.6 ที่ 18 มม. รูม่านสำหรับ f / 3.5 กว้างประมาณ 5.14 มม. ที่ 300 มม. รูม่านสำหรับ f / 5.6 มากกว่าสิบเท่าที่ความกว้าง 53.6 มม. โปรดสังเกตว่าเลนส์ซูมส่วนใหญ่ที่ขยายสูงสุดที่ 300 มม. และ f / 5.6 มีองค์ประกอบด้านหน้าที่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยในขนาด 54 มม. ขนาดทางเข้าของนักเรียนที่จำเป็นคือเหตุผล! ถ้ารูม่านตาทางที่ 300 มม. ยังคงมีความกว้าง 5.14 มม. เช่นเดียวกับที่ 18 มม. และ f / 3.5 รูรับแสงสูงสุดที่ 300 มม. จะเป็น f / 58!

แล้วทำไมเลนส์ซูมทุกตัวไม่ใช้กำลังขยายมากพอที่จะยังคงอยู่ที่รูรับแสงคงที่ตลอดช่วงซูมทั้งหมด? ต้นทุนส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับขนาดน้ำหนักและความซับซ้อนที่จำเป็นเพิ่มเติมในการผลิตเลนส์รูรับแสงคงที่

รูม่านตาไม่สามารถมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางขององค์ประกอบด้านหน้าของเลนส์สำหรับเลนส์ที่มีมุมมองที่แคบ ที่ 200 มม. รูรับแสง f / 5.6 ต้องมีรูม่านทางเข้าเกือบ 36 มม. เลนส์ที่สามารถเปลี่ยนได้ในปัจจุบันส่วนใหญ่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่อย่างน้อยเนื่องจากหน้าแปลนที่ติดตั้งได้กับกล้องเลนส์แบบเปลี่ยนได้ในปัจจุบันส่วนใหญ่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 42-54 มม. (โปรดทราบว่าเรากำลังพูดถึงความกว้างของรูในหน้าแปลนสำหรับติดตั้งไม่ใช่ระยะของหน้าแปลนสำหรับติดตั้งที่ด้านหน้าของระนาบเซ็นเซอร์ / ฟิล์มซึ่งเรียกว่าระยะการลงทะเบียน) ในทางกลับกันที่ 200 มม. และ รูรับแสง f / 2.8 ต้องใช้รูม่านทางเข้ากว้างประมาณ 71.4 มม. ซึ่งต้องใช้เลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่ารูของหน้าแปลนยึดอย่างมีนัยสำคัญ

ไม่เพียง แต่กระบอกเลนส์และชิ้นส่วนทั้งหมดของเลนส์ที่ล้อมรอบเส้นทางแสงจะต้องมีขนาดใหญ่กว่าและต้องการปริมาณวัตถุดิบที่สูงขึ้นจากการที่พวกเขาทำ แต่องค์ประกอบแสงที่แท้จริงต้องมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า และหนาขึ้นเพื่อรักษามุมการหักเหของแสงเหมือนกัน องค์ประกอบเลนส์ที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นยังนำเสนอความคลาดเคลื่อนที่จำเป็นต้องแก้ไขเพิ่มเติม บ่อยครั้งที่วัสดุที่มีราคาแพงที่สุดในเลนส์เป็นสิ่งที่ใช้ในการสร้างองค์ประกอบแสงแก้ไขเหล่านี้ การเพิ่มองค์ประกอบเพื่อแก้ไขสิ่งต่าง ๆ เช่นความผิดเพี้ยนของสีสามารถแนะนำปัญหาเพิ่มเติมเช่นการบิดเบือนเรขาคณิตมากกว่าที่จะต้องมีองค์ประกอบเพิ่มเติมเพื่อแก้ไข ดังนั้นไม่เพียง แต่เลนส์ทั้งหมดและองค์ประกอบออปติคัลจำนวนมากต้องมีขนาดใหญ่กว่าเท่านั้น แต่ยังต้องการส่วนประกอบออปติคัลที่ทำจากวัสดุที่มีราคาแพงกว่าด้วย

สำหรับคนส่วนใหญ่ยกเว้นว่าพวกเขาต้องการรูรับแสงที่ใหญ่กว่าพวกเขาจะต้องพกพาเลนส์ที่เล็กกว่าและเบากว่าซึ่งจ่ายน้อยลงไปในทันที

คุณภาพของเลนส์ซูมที่ทันสมัยโดดเด่นเมื่อพิจารณาถึงปัญหาการผลิตทั้งหมด ผู้ผลิตจะรักอะไรมากไปกว่าการรักษาค่ารูรับแสงสูงสุดตลอดการซูม พูดง่ายกว่าทำ

f-number คืออัตราส่วน ในทางคณิตศาสตร์เราแบ่งความยาวโฟกัสด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงที่ใช้งานเพื่อคำนวณ f-number เราต้องการค่านี้เป็นอัตราส่วนเพราะอัตราส่วนไม่มีมิติ กล่าวอีกนัยหนึ่งเลนส์ f / 4 ส่งผ่านพลังงานแสงเดียวกันไปยังฟิล์มหรือเซ็นเซอร์โดยไม่คำนึงถึงขนาดของเลนส์ ตัวอย่างเช่นเลนส์ 100 มม. ที่มีรูรับแสงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 25 มม. ฟังก์ชั่นที่ f / 4 lash-up นี้ให้ความสว่างของภาพเท่ากันกับระบบกล้องโทรทรรศน์ดาราศาสตร์ที่มีความยาวโฟกัส 4,000 มม. พร้อมรูรับแสงที่ใช้งานได้ 1,000 มม. ทั้งสองเปิดเผย vista เดียวกันเหมือนกัน

เราต้องการระบบ f-number เพราะมันทำให้ความสับสนวุ่นวายหมดไป เลนส์ใดก็ตามที่ตั้งค่า f-number เดียวกับเลนส์อื่น ๆ จะให้ความสว่างของภาพเท่ากัน นี่เป็นเพราะความยาวโฟกัสและเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงนั้นพันกัน ในขณะที่คุณซูมไปที่กำลังขยายสูงขึ้นเรื่อย ๆ ภาพก็จะหรี่ลง คิดเกี่ยวกับการย้ายโปรเจ็กเตอร์ต่อไปและห่างจากผนังสีขาว เมื่อคุณนำโปรเจ็กเตอร์ออกจากผนังรูปภาพที่ฉายบนผนังจะใหญ่ขึ้นและเนื่องจากแสงต้องครอบคลุมพื้นที่ผิวมากขึ้นภาพจึงหรี่ลง เช่นเดียวกันกับเลนส์ซูม

อย่างไรก็ตามผู้ผลิตเลนส์จะต้องชดเชยหรือไม่สามารถคงค่าตัวเลข f ไว้ตลอดการซูม ซูมส่วนใหญ่ไม่สามารถรักษาหมายเลขเอฟคงที่ได้ มันจะกลายเป็นแพงเกินไปที่จะทำและการขายจะหายไปเพราะคุณมีราคาตัวเองออกจากตลาด

วิธีการรักษาจำนวนคงที่ f ตลอดการซูม? ไดอะแฟรมม่านตาตั้งอยู่ด้านหลังกลุ่มเลนส์ที่กำลังเคลื่อนไหว กลุ่มด้านหน้าทำหน้าที่คล้ายแว่นขยายเพื่อทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของม่านตาดูใหญ่ขึ้นเมื่อมองจากด้านหน้า การวางตำแหน่งนี้ช่วยให้แสงส่องผ่านม่านตามากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากเลนส์ซูมไปสู่กำลังขยายที่สูงขึ้นและสูงขึ้น การวางตำแหน่งและการกระทำขององค์ประกอบเลนส์ไปข้างหน้าทำให้เกิดการบิดเบือนและความผิดปกติที่ต้องได้รับการแก้ไข การแก้ไขนี้ต้องการองค์ประกอบเลนส์ที่ซับซ้อนซึ่งต้องเคลื่อนที่ด้วยความแม่นยำ สิ่งนี้ช่วยเพิ่มค่าใช้จ่าย บรรทัดล่างคือการซูมรูรับแสงคงที่แพงมาก

ไม่ว่าจะเป็นเลนส์ซูมเป็นรูรับแสงคงที่หรือรูรับแสงแบบแปรผันมีส่วนเกี่ยวข้องกับการออกแบบเป็นครั้งแรกรองจากปัจจัยเชิงกลเช่นการเปิดหรือปิดไดอะแฟรม

เลนส์ซูมทำงานโดยการย้ายองค์ประกอบบางอย่างเพื่อเปลี่ยนความยาวโฟกัส สิ่งนี้ได้ผลเนื่องจากสมการสำหรับความยาวโฟกัสของเลนส์หนา:

(1) พี = phi_1 + phi_2 - (t / n) * phi_1 * phi_2

(2) EFL = 1 / พี

ที่พีคือพลังแสงทั้งหมดของเลนส์หนา phi_1 และ phi_2 เป็นพลังงานแสงของพื้นผิวที่หนึ่งและสอง t คือความหนาระหว่างพวกมันและ n คือดัชนีการหักเหของแสง EFL ย่อมาจากความยาวโฟกัสที่มีประสิทธิภาพและเป็นสิ่งที่เรียกขานโดยการพูดความยาวโฟกัส

ระบบออพติคอลใด ๆ ที่มีองค์ประกอบจำนวนมากสามารถสร้างแบบจำลองได้อย่างแม่นยำเป็นเลนส์เดี่ยวบาง ๆ สมการนี้ใช้ได้กับเลนส์บาง ๆ แต่เทอม t / n จะหายไปเช่น t = 0 เลนส์ 50 มม. f / 1.8 สามารถสร้างแบบจำลองเป็นเลนส์เดี่ยวบาง ๆ ที่มีความยาวโฟกัส 50 มม. เช่นเดียวกับเลนส์ 18-300 มม. ที่ตั้งค่าเป็น 50 มม.

คุณยังสามารถใช้สูตรนี้กับเลนส์บางรุ่น 2 ตราบใดที่เลนส์เป็นบวกคุณจะเห็นได้ว่าการผลักเลนส์ให้ห่างออกไปนอกเหนือจากคำว่า t / n จะยิ่งใหญ่ขึ้น เมื่อมันโตขึ้นพลังจะลดลงและความยาวโฟกัสจะใหญ่ขึ้น

นี่คือสาระสำคัญของเลนส์ซูม

เร็วที่สุดเท่าที่คุณแนะนำหยุดรูรับแสงเป็นระบบแสง, คุณมีสิ่งที่เรียกว่าประตูทางเข้าและทางออกของนักเรียน นักเรียนที่เข้ามาคือภาพของช่องรับแสงที่เกิดจากองค์ประกอบที่อยู่ด้านหน้าและรูม่านตาออกเป็นภาพของช่องรับแสงที่เกิดจากองค์ประกอบที่อยู่ด้านหลัง

รูม่านตามีตำแหน่งและขนาดเช่นเดียวกับองค์ประกอบเลนส์หรือรูรับแสงจริงหยุดตัวเอง f / #เลนส์สามารถห้วง

(3) f / # = EFL / EPD

โดยที่ f / # คือ 'อัตราส่วนโฟกัส' EFL คือความยาวโฟกัสที่มีประสิทธิภาพและ EPD คือเส้นผ่านศูนย์กลางรูม่านตา

ลองติดรูรับแสงตรงกลางของเลนส์บางสองเส้นคั่นด้วยอากาศ หากเราเพิ่ม EFL ของระบบเลนส์โดยเลื่อนเลนส์ไปข้างหน้าด้านหน้า EPD จะเปลี่ยนไปด้วย หากเราเพิ่ม EFL ของเลนส์โดยเลื่อนเลนส์ไปทางด้านหลังย้อนหลัง EPD จะไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากเลนส์นั้นไม่ส่งผลกระทบต่อรูม่านตาในทางใดทางหนึ่ง

มันเป็นกรณีที่เว้นแต่ว่าคุณจะทำช่วงซูมที่ใหญ่มากการขยายของรูรับแสงจะหยุดลงทำให้ EPD เพิ่มขึ้นในอัตราเดียวกับความยาวโฟกัส เนื่องจากทั้งตัวเศษและตัวหารของ (3) เปลี่ยนไปตามปริมาณที่เท่ากันอัตราส่วนจึงยังคงเหมือนเดิมดังนั้นเลนส์ของเราอาจย้ายจาก 70 มม. เป็น 200 มม. และคงรูรับแสง f / 4 ไว้

ถ้าเราขยับเลนส์ด้านหลังเลนส์จะช้าลงประมาณ f / 10 หรือประมาณนั้นโดยซูมจาก 70 มม. ถึง 200 มม.

เลนส์ซูมที่ทันสมัยมีกลุ่มซูม 3 หรือ 4 กลุ่มดังนั้นจึงซับซ้อนกว่าคำอธิบายง่ายๆนี้ หากพวกเขาทั้งหมดอยู่ด้านหน้าของรูรับแสงหยุดนี่ก็ยังเป็นจริง หากส่วนใหญ่อยู่ด้านหน้าหยุดรูรับแสงผู้ผลิตจะตั้งโปรแกรมไดอะแฟรมเพื่อเปิด / ปิดในขณะที่เลนส์ซูมและโกงช่องว่างเพื่อให้ทำงานเหมือนเลนส์รูรับแสงคงที่

คุณอาจสงสัยว่าทำไมไม่เพียงแค่วางกลุ่มทั้งหมดไว้หน้าหยุดและทำมันให้สำเร็จ - มีแรงจูงใจหลักสองประการ:

1) หากคุณบังคับให้การซูมทั้งหมดเกิดขึ้นที่ด้านหน้าของรูรับแสงหยุดเลนส์จำเป็นต้องยาวกว่าหากสามารถซูมได้ทั้งสองด้าน

2) การออกแบบเลนส์ที่ได้รับการแก้ไขนั้นง่ายกว่าถ้าคุณได้รับอนุญาตให้เปลี่ยนตำแหน่งขององค์ประกอบทั้งสองด้าน