Comment fonctionnent les zooms à ouverture constante?

Les zooms les moins chers sont généralement plus rapides à l'extrémité large et plus lents à l'extrémité longue (par exemple, le Canon EF-S à 150 $, 18-55 mm f / 3.5-5.6). Les objectifs zoom à ouverture constante plus chers ont toujours la même ouverture (par exemple, Canon EF à 800 $ 17-40mm f / 4.0 L).

Ma question est la suivante: ces bons objectifs sont-ils des sacs de sable avec des réglages plus larges, ou ont-ils un système optique différent qui leur permet de conserver la même ouverture sur toute la plage de zoom?

Malheureusement, les autres réponses ne font qu'indiquer la motivation qui pourrait être impliquée dans le choix de concevoir l'une ou l'autre. Aucun d’entre eux n’indique vraiment la différence entre les zooms à ouverture fixe et variable.

Il y a en fait une différence assez fondamentale dans la conception. Le diaphragme (la partie qui forme l'ouverture) dans presque n'importe quel objectif se situe quelque part au milieu de l'objectif. Dans un zoom à ouverture fixe, seuls les éléments situés derrière le diaphragme se déplacent pour effectuer le zoom. Dans un zoom à ouverture variable, les éléments situés derrière et devant l'ouverture se déplacent pour effectuer le zoom.

Au moins dans les cas habituels, le diamètre de l'ouverture ne change pas lorsque vous effectuez un zoom. Ceci est assez facile à vérifier - prenez des photos avec différents taux de zoom et une ouverture maximale avec quelques reflets flous. Au moins avec votre objectif de zoom typique, les hautes lumières floues resteront arrondies à toutes les focales, indiquant que l’ouverture est grande ouverte (là où elle est ronde). Arrêtez l'objectif quelques fois et vous commencerez à voir la forme de la fermeture des lames d'ouverture (bien que les lentilles avec de nombreuses lames, en particulier celles arrondies, conservent des reflets presque arrondis un peu plus que les autres).

Lorsque / si les éléments situés devant l'ouverture bougent pendant le zoom, vous modifiez la longueur focale (effective) de cette partie de l'objectif. Vous transmettez ensuite la lumière par une ouverture de diamètre fixe, ce qui signifie que le f / stop (effectif) change. Comme il n’est affecté que par le changement de la distance focale effective des éléments situés devant le diaphragme, le changement ne correspond pas (généralement) exactement au changement de la distance focale effective globale - le déplacement des éléments derrière le diaphragme modifie le foyer effectif sans changer l’ouverture effective (par exemple, mon 28-135 a une plage de zoom de 5: 1, mais l’ouverture ne change que de f / 4.0 à f / 4.5).

Ils ont des optiques différentes et sont généralement des objectifs sensiblement plus grands pour la même plage focale (comparez un 70-200 mm f / 2,8 à un 70-300 mm f / 4,5-5,6 et voyez que ce dernier est petit en comparaison). Pour obtenir l'ouverture constante sur le côté long, vous devez disposer d'un cylindre plus grand, car l'ouverture correspond à un rapport par rapport à la longueur focale. Cependant, si vous faites le calcul pour vos exemples:

18mm f / 3.5 signifie une ouverture de 5.14mm 55mm f / 5.6 signifie une ouverture de 9.82mm

17 mm f / 4.0 signifie une ouverture de 4,25 mm 40 mm f / 4,0 signifie une ouverture de 10 mm

Il est clair que le diamètre physique de l'ouverture peut être plus grand dans les deux cas. Ainsi, dans les deux cas, vous auriez tendance à penser que vous devriez pouvoir être f / 2.0 ou à peu près à la fin la plus large et que votre scénario de sacs de sable s’appliquerait alors aux deux. D'autre part, pour ces derniers, l'optique peut être simplifiée et atteindre ainsi une qualité optimale. Alors ... Des compromis.

Dans tous les cas, les zooms nécessitent une construction assez complexe, bien plus que ne le ferait un objectif principal, et il y a donc beaucoup de considérations à prendre en compte concernant la correction optique à différentes focales, l'effet de l'ouverture sur cette correction, etc. Compte tenu de la conception des lentilles et des coûts associés, il se peut que toute tentative d'élargissement du côté court se traduise par une atténuation extrêmement inacceptable de l'image ou par d'autres formes d'aberrations.

Enfin, certaines constructions optiques diffèrent entre les deux. Heck, il y a différentes constructions optiques entre les lentilles de la même configuration mais de fabricants différents. Tout se résume au rapport coût / bénéfice et, finalement, au prix que le marché supportera pour la lentille d'une construction donnée.

En termes simples, le rapport f / 4.0 signifie que la taille effective de l'ouverture est la longueur focale divisée par 4 - pour un 600mm f / 4.0, cela ne signifie pas qu'il y a littéralement un trou de 150mm où se trouvent les lamelles d'ouverture, mais que l'objectif se comporte comme s'il y en avait. (Si vous regardez le design du Canon 600 f / 4.0, il est clair qu'il n'y a pas de place pour une ouverture de 150 mm au centre de l'objectif).

C’est le principe qui sous-tend les objectifs à ouverture constante: la taille de l’ ouverture virtuelle change dans toute la plage du zoom, même si le visage de l’ouverture physique reste clairement de la même taille.

Tous les zooms modifient la taille de l'ouverture virtuelle ou effective lors du zoom. "Ouverture constante" (rapport f très constant) modifie simplement l'ouverture de manière suffisante pour conserver le même rapport entre l'ouverture et la longueur focale. La conception des objectifs à «ouverture constante» n’est pas radicalement différente, il n’ya que le degré de modification de l’ouverture apparente.

Pour dérober les chiffres à la réponse de John (pour éviter de les redéfinir), la taille des ouvertures virtuelles pour les deux lentilles mentionnées est la suivante:

Canon EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 5.14mm @ 18mm - 9.82mm @ 55mm

Canon EF 17-40mm f / 4.0 4,25mm @ 17mm - 10mm @ 40mm

Si l'optique du 18-55 faisait l'ouverture virtuelle de 15 mm à l'extrémité longue, ce serait un objectif à ouverture constante (@ f / 3,5), mais cela coûterait très cher, en raison de la plage de zoom [relativement] importante, ce qui explique pourquoi un objectif pas cher il reste f / 5.6

Il n'y a pas de sacs de sable dans l'objectif à ouverture constante, mais l'objectif le plus large possible est l'objectif le plus large possible, c'est simplement qu'il a été conçu pour se comporter plus vite à long terme!

Ma question est la suivante: ces bons objectifs sont-ils des sacs de sable avec des réglages plus larges, ou ont-ils un système optique différent qui leur permet de conserver la même ouverture sur toute la plage de zoom?

N'oubliez pas que lorsque vous utilisez un nombre-f pour représenter l'ouverture, celui-ci est exprimé sous forme de fraction de la distance focale. Par conséquent, lorsque vous effectuez un zoom, le même diamètre effectif d' ouverture est représenté par un nombre différent. f / 2,8 à 20 mm correspond à la moitié du diamètre effectif d'ouverture de f / 2,8 à 40 mm. Ainsi, votre zoom à ouverture constante n’est pas réellement "en maintenant la même ouverture sur toute la plage de zoom" en tant que tel. En fait, un zoom 18-55 qui maintient le même diamètre d' ouverture effectif sur toute la plage de zoom serait quelque chose comme f / 3.5-10.7.

Donc, aucun des deux types de zooms ne conserve vraiment le même diamètre effectif d'ouverture. Notez que le diamètre effectif n'est pas nécessairement le diamètre réel de la bague d'ouverture, car l'effet de zoom consiste en partie à agrandir la bague d'ouverture elle-même. Mais le diamètre effectif est ce qui est pertinent .

Les concepteurs d'objectifs se battent pour résoudre un certain nombre de problèmes, notamment l'aberration chromatique, la distorsion, la netteté et le vignettage. Avec un objectif zoom, cela est d’autant plus difficile qu’ils doivent résoudre ces problèmes non seulement à une seule distance focale, mais sur toute la plage de zoom. Cependant, toute la conception de l'objectif fait des compromis simplement parce qu'il y a beaucoup de forces opposées. Pour un objectif zoom, les concepteurs d’objectifs décident de l’ouverture qu’ils peuvent obtenir à chaque distance focale dans la plage de zoom, sans trop de ramollissement ni d’autres problèmes tels que le vignettage.

Il est souhaitable qu'un objectif zoom ait un diamètre effectif d'ouverture beaucoup plus grand au niveau du téléobjectif que du large, car, lorsque l'image est agrandie, vous avez besoin de plus de lumière pour que la même quantité de lumière tombe sur le capteur / film. C'est-à-dire qu'il faut qu'elle soit beaucoup plus large pour atteindre le même nombre-f.

Les zooms les moins chers font souvent plus de compromis sur la vitesse au bout du télé que les plus chers.

Les zooms à ouverture constante comme le Canon EF 17-40 mm f / 4,0 L que vous avez mentionné font un compromis différent; ils ont déployé beaucoup plus d'efforts pour obtenir une ouverture efficace plus large du côté téléobjectif. En conséquence, ils utilisent davantage de verre et créent un objectif plus lourd. Comme tout est aussi un compromis, ils ne veulent pas que leur objectif soit d'obtenir une ouverture plus large à l'extrémité du téléobjectif pour augmenter la netteté ou un vignettage à l'extrémité large, ce qui limite l'ouverture maximale de l'extrémité large. Ainsi, vous obtenez un équilibre différent de la taille des ouvertures par rapport à la "variable" moins chère et plus légère (en réalité, moins de variation en termes de diamètre d'ouverture réel) du zoom d'ouverture et tout dépend du type de compromis que vous avez fait. la conception de la lentille.

Il suffit de combiner correctement les éléments concaves et convexes pour réduire la perte de lumière dans toute la plage du zoom. Bien que le f / 4.0 puisse sembler être trompé par l'ouverture plus rapide, il résulte davantage d'une image aussi nette que possible sans aberration chromatique, tout en conservant une durée et un éclairage constants tout au long de votre zoom et de votre plage de mise au point.

Canon possède de très bonnes publications expliquant tout cela, ainsi que la façon dont la diffraction optique est utilisée dans certains de leurs nouveaux objectifs pour contrer tous les inconvénients antérieurs de l’optique classique. Je le posterai dès que je le trouverai à nouveau.

Je souscris à l'opinion de user86418 selon laquelle la réponse de Jerry Coffin a cet inconvénient, bien qu'il semble à son tour avoir confondu l'ouverture numérique avec ƒ / number.

Citant outdoorphotographer.com

Dans un zoom à ouverture variable ... les éléments situés devant et derrière le diaphragme bougent (et le diaphragme lui-même bouge), de sorte que la pupille d'entrée ne varie pas proportionnellement au grossissement et que le nombre ƒ change à mesure que vous zoomez lentille. (Remarque: certains zooms peuvent également modifier le diamètre de l'ouverture physique lors du zoom.)

Il existe un certain nombre de «formules» à objectif zoom, mais fondamentalement, un telezoom modifie le grossissement (distance focale) en déplaçant des éléments devant le diaphragme d'ouverture.

Le site de Pierre Toscani fournit des schémas optiques détaillés d'un zoom à ouverture constante:

Bizarrement, la réponse (actuellement) acceptée se trompe complètement. Soit cela, soit sa terminologie "avant l'ouverture" et "derrière l'ouverture" est visible du côté du capteur (ce qui n'aurait pas beaucoup de sens) plutôt que de l'objectif avant.

La pupille d'entrée, l'image de l'ouverture telle qu'elle est vue à travers l'objectif avant, a un diamètre proportionnel à la distance focale lors d'un zoom avec ouverture numérique constante (ce avec quoi les photographes travaillent et qui correspond habituellement à la taille de l'ouverture de l'ouverture physique lames). Évidemment, ce changement de taille apparente nécessite un changement d'éléments de la lentille entre l'ouverture et la lentille frontale. Ce changement sera suffisant pour affecter le changement de longueur focale souhaité à valeur numérique constanteouverture dans des conceptions simples; Cependant, un objectif zoom moderne contient beaucoup plus d'éléments que ceux responsables de la détermination de la distance focale: de nombreux éléments correcteurs sont également impliqués. La question de savoir si l'un des groupes arrière se déplace en plus des groupes avant est donc une question de recette optique exacte.