ズームレンズは望遠端で最も広い開口をどのように制限しますか？

絞りリングは、レンズの望遠端で5.6を超える開口をロックしますか？レンズは開口リングに障害物を持ち込み、望遠端の開口部を超えてレンズを開けることはできませんか？

とにかく、レンズがこのように動作するのはなぜですか？焦点範囲全体に一定の開口部がないのはなぜですか？

入射瞳は前部要素の直径によって制限され、それが通常望遠ズームレンズの最大開口を制限するものであり、開口絞りの物理的サイズではありません。

絞りの物理的なサイズは、レンズのF値として表される最大開口を決定するものの一部にすぎません。レンズの前面と絞りの位置の間の倍率も影響します。絞りのF値は、レンズの焦点距離を入射瞳の直径で割った比率によって決まります。これは、有効な絞りと呼ばれることもあります。簡単な言葉で言えば、入射瞳の直径は、レンズの前面から見たときに絞りの開口部がどれだけ広く見えるかによって定義されます。

定口径ズームレンズを動かして焦点距離を変えると、レンズの前面と絞りの間の倍率は、通常は変わるものであり、絞りの物理的なサイズではありません。倍率の変化により、入射瞳は焦点距離が長くなると大きくなり、焦点距離が短くなると小さくなります。70-200mm f / 2.8レンズには、直径70mmおよびf / 2.8で直径25mmの入射瞳があります。200mmでは、f / 2.8の入射瞳は幅71mmを少し超えています。実際の物理的な横隔膜は、両方のケースで同じサイズです。変更されたのは、絞りアセンブリとレンズの前面の間の倍率です。

この同じ原理は通常、可変開口ズームレンズでも同様に作用することに注意してください。たとえば、18-300mm f / 3.5-5.6ズームレンズを考えてみましょう。18mmでは、f / 3.5の入射瞳の幅は約5.14mmです。300mmでは、f / 5.6の入射瞳は幅53.6mmの10倍以上です。最大300mmおよびf / 5.6でズームアウトするほとんどのズームレンズには、直径54mmよりわずかに大きい前部要素があることに注意してください。必要な入射瞳のサイズが理由です！300mmの入射瞳の幅が18mmおよびf / 3.5のまま5.11mmのままの場合、300mmの最大開口はf / 58になります。

それでは、なぜすべてのズームレンズがズーム範囲全体にわたって一定の開口を維持するのに十分な倍率を使用しないのでしょうか？主に、一定の開口レンズを製造するために必要な追加のサイズ、重量、および複雑さに関連するコスト。

視野角が狭いレンズの場合、入射瞳はレンズの前部要素の直径よりも大きくすることはできません。200mmでは、f / 5.6アパーチャには直径がほぼ36mmの入射瞳が必要です。最新の交換レンズカメラのほとんどの取り付けフランジの直径は約42〜54ミリメートルであるため、現在のほとんどの交換レンズは少なくともその直径が大きいです。（ここでは、取り付けフランジの穴の幅について説明していることに注意してください。センサー/フィルム面の前の取り付けフランジの距離は登録距離と呼ばれます。）一方、200mmではf / 2.8の開口には、およそ71.4mmの幅の入射瞳が必要です。そのためには、レンズの直径を取り付けフランジの穴よりも大幅に大きくする必要があります。

レンズバレルと光路を囲むレンズのすべての部分を大きくする必要があるだけでなく、より多くの量の原料を必要とするだけでなく、実際の光学要素も直径を大きくする必要があります同じ屈折角を維持するために厚くします。レンズ要素が大きくなると、補正が必要な収差も増えます。多くの場合、レンズの最も高価な材料は、これらの補正光学素子を作成するために使用される材料です。色収差などを補正する要素を追加すると、幾何学的歪みなどの追加の問題が発生する可能性があり、補正するためにさらに多くの要素が必要になります。そのため、レンズ全体と内部の光学素子の多くを大きくする必要があるだけでなく、より高価な材料で作られたより多くの光学部品も必要になります。

ほとんどの人にとって、より大きな口径が本当に必要でない限り、彼らはより軽く、より小さなレンズをすぐに持ち歩き、それに対して彼らははるかに安く払った。

直面するすべての製造上の問題を考慮すると、最新のズームレンズの品質は傑出しています。メーカーは、ズーム全体を通して最大口径を一定に保つことほど良いものはありません。これは言うよりも簡単です。

F値は比率です。数学的には、焦点距離を有効開口径で割ってf値を計算します。比率は無次元であるため、この値を比率にする必要があります。つまり、f / 4レンズは、レンズの寸法に関係なく、同じ光エネルギーをフィルムまたはセンサーに渡します。例として、直径25mmの開口を持つ100mmレンズは、f / 4で機能します。このラッシュアップは、焦点距離4000mm、有効口径1000mmの天体望遠鏡システムと同じ画像輝度を実現します。どちらも同じビスタを同じように公開します。

カオスを取り除くため、fナンバーシステムが必要です。他のレンズと同じF値に設定されたレンズは、同じ画像の明るさを実現します。これは、焦点距離と開口径が絡み合っているためです。高倍率にズームすると、画像が暗くなります。プロジェクターを白い壁からどんどん遠ざけることを考えてください。プロジェクタを壁から遠ざけると、壁に投影される画像が大きくなり、光がより多くの表面積をカバーする必要があるため、画像は暗くなります。ズームレンズでも同じです。

どういうわけか、レンズメーカーは補正を行わなければならないか、ズーム全体を通して一定のF値を維持できません。ほとんどのズームでは、一定のF値を維持できません。あなたが市場から自分自身の価格設定をしているので、それは作るにはあまりにも高価になり、販売は失われます。

ズーム全体で一定のF値を維持する方法は？虹彩絞りは、レンズの可動グループの後ろに設定されます。正面のグループは拡大鏡のように機能し、正面から見たときに虹彩の見かけの直径を大きく見せます。この配置により、レンズが高倍率にズームするにつれて、より多くの光が虹彩を通過できます。前方レンズ要素のそのような配置と動作は、修正する必要がある歪みと収差を引き起こします。この補正には、正確に移動する必要がある複雑なレンズ要素が必要です。これによりコストが増加します。一番下の行は、一定の開口ズームが非常に高価です。

ズームレンズが一定の開口であるか可変の開口であるかは、まず設計に関係し、次に絞りの開閉などの機械的要因に関係します。

ズームレンズは、いくつかの要素を動かして焦点距離を変更することで機能します。これは、厚いレンズの焦点距離の式のために機能します。

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

（2）EFL = 1 /ファイ

ここで、Phiは厚いレンズの合計屈折力、phi_1とphi_2は第1面と第2面の屈折力、tはそれらの間の厚さ、nはレンズの屈折率です。EFLは有効焦点距離を表し、焦点距離と言うことで口語的に呼ばれます。

任意の数の要素を含む光学システムは、単一の薄いレンズとして正確にモデル化できます。この式は薄いレンズでも機能しますが、t = 0であるため、t / n項は消えます。50mm f / 1.8レンズは、焦点距離50mmの単一の薄いレンズとしてモデル化できます。18-300mmのレンズは50mmに設定できます。

この式を使用して、2つの薄いレンズをモデル化することもできます。レンズが正である限り、レンズをさらに離すとt / n項が大きくなることがわかります。それが大きくなると、パワーが減少し、焦点距離が長くなります。

これがズームレンズの本質です。

すぐに、光学系に開口絞りを紹介するとして、あなたはとして知られているものを持って入学して終了生徒。入射瞳は、その前の要素によって形成される開口絞りの画像であり、射出瞳は、その背後の要素によって形成される開口絞りの画像です。

瞳孔は、レンズ要素または実際の開口絞り自体と同じような位置とサイズを持っています。レンズのf /＃は、次のように近似できます。

（3）f /＃= EFL / EPD

ここで、f /＃は「焦点比」、EFLは有効焦点距離、EPDは入射瞳径です。

空気で隔てられた2つの薄いレンズの真ん中に開口絞りを付けましょう。レンズを前方に移動してレンズシステムのEFLを上げると、EPDもそれに伴って変化します。レンズを後方に動かしてレンズのEFLを上げても、レンズは入射瞳に影響を与えないため、EPDはそれとともに変化しません。

極端に大きなズーム範囲を作成しない限り、EPDの原因となる開口絞りの倍率が焦点距離と同じ割合で増加することがあります。（3）の分子と分母の両方が同じ相対量で変化するため、比率は同じままであるため、レンズは70mmから200mmに移動し、f / 4の開口を維持した可能性があります。

レンズを後ろに移動すると、70mmから200mmにズームすることで、レンズは約f / 10程度まで遅くなります。

最新のズームレンズには3つまたは4つのズームグループがあるため、この簡単な説明よりも複雑です。それらすべてが開口絞りの前にある場合、これはまだ当てはまります。場合は、それらのほとんどは、開口絞りの前にある、製造がレンズズームしながら、オープン/クローズにダイアフラムをプログラムする傾向があり、それが一定の口径レンズのように動作させるためのギャップをカンニングします。

すべてのグループを停留所の前に置いて、それで終わらせないのはなぜかと思うかもしれません-2つの重要な動機があります：

1）すべてのズームを開口絞りの前で強制する場合、レンズは必然的に両側でズームできる場合よりも長くなります。

2）両側の要素の位置を変更できる場合、適切に補正されたレンズを設計する方が簡単です。