Wenn Sie mit einem Objektiv auf eine Spiegelreflexkamera zoomen, warum fährt das Objektiv dann raus?

Ich denke, das ist eher eine Frage der Optik als der Fotografie, aber ich habe gerade eine Spiegelreflexkamera mit einem einfachen 18-55-Objektiv bekommen. Mir ist aufgefallen, dass beim Übergang von 18 auf 55 oder 55 auf 18 die Linse physisch wieder eintritt und dann physisch wieder ausfällt?

Was ist da los? Ich würde denken, dass, wenn ich in das Objektiv zoome, 100% der Zeit ausgehen sollte, aber das Objektiv tatsächlich ausgeht und dann wieder eintritt.

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. Innerhalb eines Zooms befinden sich mehrere Linsengruppen, die sich unabhängig voneinander bewegen. Die Brennweite des Zooms hängt von den relativen Positionen der Gruppen ab und hängt nicht immer einfach von der physischen Länge des Objektivs ab. Die einfachste Erklärung für dieses Verhalten ist jedoch, dass Ihr Zoom möglicherweise ein einfaches Retrofokus-Design aufweist.

Retrofokus-Zoom

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

Die hintere Gruppe positiver Brechkraft macht auf dem Sensor ein invertiertes reales 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 die Linse L1, die zweite Gruppe ist die Linse L2, der Zoom ist auf unendlich fokussiert, das Zwischenbild ist links in einem Abstand x von L2 und der Sensor ist bei P Die Vergrößerung von L2 beträgt 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, liefert sie eine kleine Vergrößerung (etwa -0,5) und damit eine kürzere Brennweite für das gesamte Objektiv. Wenn Sie näher an das Zwischenbild herangehen, haben Sie eine höhere Vergrößerung (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 gerade 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 Stück Papier fokussieren: Der Abstand zwischen der Glühbirne und dem fokussierten Bild ist minimal, wenn das Bild dieselbe Größe wie das Objekt hat. Da beim Zoomobjektiv das endgültige Bild an einer festen Position (auf dem Sensor) abfallen 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, ändert sich m ₂ von -1 auf ~ -1,6, und die vordere Gruppe entfernt sich vom Sensor.

Beispiel 1

Dies ist nur ein theoretisches (über) vereinfachtes Modell für einen Zoom, bei dem jede Gruppe nur ein dünnes Objektiv ist. Die Brennweiten der Gruppen betragen -35 mm (vordere Gruppe) und +35 mm (hintere Gruppe). Unter der Annahme eines Objekts im Unendlichen habe ich die Konfigurationen des Zooms für drei Brennweiten berechnet. Die folgende Tabelle zeigt die Positionen der Linsenelemente (in mm vom Sensor) als Funktion der Brennweite, auf die der Zoom eingestellt ist:

┌───────────┬─────────┬─────────┐
│ 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 befindet sich rechts. Das Zwischenbild (nicht gezeichnet) befindet sich 35 mm links vom Frontelement. Das Interessante ist, dass die Bewegungen der Gruppen (vorne und hinten) mit den Bewegungen der meisten kleinen Zooms im mittleren Bereich übereinstimmen. Ein echter Zoom kann mehr Gruppen haben (IS wurde erwähnt), aber nur zwei werden wirklich für die Zoomaktion benötigt.

Beispiel 2

Ein realistischeres Beispiel finden Sie in diesem Patent für einige Nikon 1-Zooms . Dies ist nicht das beste Beispiel, da diese Objektive für spiegellose Kameras vorgesehen sind. Eine der Ausführungsformen ist jedoch ein 10-30-mm-Mittelbereichszoom (27-81 Äquivalente), der für das 1,6-fache im Bereich von 18-55 liegt.

Ich mag dieses Beispiel wegen der Zahlen. Bitte sehen Sie sich die Abbildung auf Seite 1 und insbesondere die Pfeile unten unter den Bezeichnungen „G1“ und „G2“ an. Diese Pfeile zeigen an, wie sich die Gruppen bewegen, wenn das Objektiv von Weitwinkel (W) nach Tele (T) gezoomt wird. Sie können sehen, dass sich die vordere Gruppe vorwärts und rückwärts bewegt, während sich die zweite Gruppe monoton vorwärts bewegt. Das habe ich bei vielen Weitwinkel- und Mitteltonzooms gesehen, wenn auch nicht bei allen (zum Beispiel bei der Nikkor 18-70). Möglicherweise stellen Sie fest, 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.

Auf jeden Fall ist das Interessante hier, dass, obwohl einige der bereitgestellten Beispiele drei Linsengruppen aufweisen, die meisten (einschließlich der "bevorzugten Ausführungsform") nur zwei aufweisen. Zitieren des Patents (Absatz 077 auf Seite 67):

Ein optisches System gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst 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 Retrofokusobjektivs.

Beispiel 3

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

Die Beispiele 1 und 2 dieses Patents beziehen sich auf ein derart 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 die vordere Gruppe beim Zoomen des Objektivs von 18 auf 55 mm zuerst nach hinten (zum Sensor) 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 verfügt über vier Gruppen, die sich beim Zoomen des Objektivs auf unterschiedliche Weise bewegen. Beim Zoomen von 18 auf 55 mm bewegt sich die vordere Gruppe vorwärts und rückwärts und die hintere Gruppe monoton vorwärts. Von außen gesehen sieht es also aus wie das einfache Zwei-Gruppen-Design von Beispiel 1, obwohl es intern recht komplex ist.

Andererseits ist dieses spezielle Design tatsächlich nicht so weit von dem einfachen Retrofokus-Design entfernt. Wenn wir sagen, dass die Gruppen 2, 3 und 4 eine Art „Supergruppe“ darstellen, kann die Linse als Gruppe (G1) mit negativer Brechkraft gefolgt von der Supergruppe (G234) mit positiver Brechkraft beschrieben werden. Immer noch eine Art Retrofokus. Diese Beschreibung ist nicht völlig unvernünftig, da sich die Gruppen 2, 3 und 4 mehr oder weniger auf dieselbe Weise bewegen: Sie bewegen sich alle monoton vorwärts, wenn das Objektiv von weit nach fern gezoomt wird, und ihre durchschnittliche Bewegung ist größer als die relativen Bewegungen zwischen ihnen. Aus der Tabelle der Objektivdaten errechnete ich die Brennweite dieser Supergruppe und stellte fest, dass sie sich nicht wesentlich ändert: nur von 38,6 mm am breiten Ende des Zooms auf 34,8 mm am Teleende.

Obwohl ich nur einige Patente untersucht habe, ist meine Schlussfolgerung, 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 die Brennweite
• Beim Zoomen von Weitwinkel zu Tele bewegt sich das vordere Element zuerst zurück (näher am Sensor) und dann vorwärts
• Beim Zoomen von Weitwinkel auf Tele bewegt sich das hintere Element immer vorwärts.

Die erste Bedingung wird wahrscheinlich immer von SLR-Zooms mit einer maximalen Brennweite von nicht mehr als 55 mm erfüllt.

PS: Diese Antwort wurde stark überarbeitet, 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 Bearbeitungsnotiz unter dieser Antwort.

Das Objektiv ist am breiten Ende retrofokal und am langen Ende telephotisch. Ein Retrofokus-Objektiv wird als "invertiertes Teleobjektiv" bezeichnet, da es ähnlich wie ein Teleobjektiv mit umgekehrten Elementen aufgebaut ist. Der Effekt nimmt ab, wenn Sie hineinzoomen, bis Sie ungefähr 35 mm erreichen, bei denen sich das Objektiv auszudehnen beginnt und schließlich zu einer Telephoto-Konfiguration wird, bei der die Größe des Objektivs von vorderem Element zu hinterem Element geringer ist als die Brennweite. Das Objektiv ist zwischen diesen Positionen weder retrofokal noch telephotisch. Dies führt dazu, dass das Objektiv am äußersten Rand des Zoombereichs länger ist als an Zwischenpositionen.

Weitere Informationen zu diesem Design finden Sie in den Wikipedia-Artikeln über den Angénieux-Retrofokus , in denen der Ursprung des Designs für das breite Ende und das Teleobjektiv für das, was am langen Ende passiert , erläutert werden . Nach dem Teleobjektiv Artikel:

Zoom-Objektive, bei denen es sich um Telefotos handelt, die sich an einem Ende des Zoombereichs befinden, und Retrofokus-Objektive, die sich am anderen Ende befinden, sind nun üblich.

Dies ist im Wesentlichen das, was mit Ihrem 18-55-mm-Objektiv passiert. Soweit ich weiß, haben Canon, Nikon, Pentax und Sony (A-Mount, nicht E-Mount) 18-55-mm-Objektive diesen Designaspekt gemeinsam.

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

Bei den meisten Zoomobjektiven wird der Objektivtubus und das vordere Element beim Einzoomen ausgefahren.

Es gibt jedoch auch einige Objektive wie das Canon EF 24-70, bei denen das Objektiv bei 24 mm vollständig ausgefahren und bei 70 mm vollständig eingefahren ist. Gemessen an den Frontelementen scheint es also rückwärts zu funktionieren!

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

Jedes Objektiv hat viele Elementgruppen, von denen sich einige "heraus" und andere "hinein" bewegen. Ich denke, die einfache Antwort ist, dass Sie nicht nur nach dem beurteilen können, was der Lauf und das vordere Element bewirken. Im Inneren ist noch viel mehr los. Einige Objektivkonstruktionen sind sehr kompliziert. Ich bin sehr interessiert, wenn jemand ein einfaches Bild posten kann, um zu erklären, wie dieses spezielle Objektivdesign funktioniert.